В электромагнетизме плотность заряда — это количество электрического заряда на единицу длины , площади поверхности или объема . Объемная плотность заряда (обозначается греческой буквой ρ) — это количество заряда на единицу объема, измеряемое в системе СИ в кулонах на кубический метр (Кл⋅м −3 ), в любой точке объема. [1] [2] [3] Поверхностная плотность заряда (σ) — это количество заряда на единицу площади, измеряемое в кулонах на квадратный метр (Кл⋅м −2 ), в любой точке распределения поверхностного заряда на двумерной поверхности. Линейная плотность заряда (λ) — это количество заряда на единицу длины, измеряемое в кулонах на метр (Кл⋅м −1 ), в любой точке распределения линейного заряда. Плотность заряда может быть как положительной, так и отрицательной, поскольку электрический заряд может быть как положительным, так и отрицательным.
Как и плотность массы , плотность заряда может меняться в зависимости от положения. В классической электромагнитной теории плотность заряда идеализируется как непрерывная скалярная функция положения , как жидкость, и , и обычно рассматриваются как непрерывные распределения заряда , хотя все реальные распределения заряда состоят из дискретных заряженных частиц. Из-за сохранения электрического заряда плотность заряда в любом объеме может изменяться только в том случае, если электрический ток заряда втекает в объем или вытекает из него. Это выражается уравнением непрерывности , которое связывает скорость изменения плотности заряда и плотность тока .
Поскольку весь заряд переносится субатомными частицами , которые можно идеализировать как точки, концепция непрерывного распределения заряда является приближением, которое становится неточным на малых масштабах длины. Распределение заряда в конечном итоге состоит из отдельных заряженных частиц, разделенных областями, не содержащими заряда. [4] Например, заряд в электрически заряженном металлическом объекте состоит из электронов проводимости, беспорядочно движущихся в кристаллической решетке металла . Статическое электричество вызывается поверхностными зарядами, состоящими из электронов и ионов вблизи поверхности объектов, а пространственный заряд в вакуумной трубке состоит из облака свободных электронов, беспорядочно движущихся в пространстве. Плотность носителей заряда в проводнике равна числу подвижных носителей заряда ( электронов , ионов и т. д.) в единице объема. Плотность заряда в любой точке равна плотности носителей заряда, умноженной на элементарный заряд на частицах. Однако, поскольку элементарный заряд электрона настолько мал (1,6⋅10−19 Кл ), а их так много в макроскопическом объеме ( в кубическом сантиметре меди содержится около 1022 электронов проводимости), непрерывное приближение очень точно при применении к макроскопическим объемам и даже микроскопическим объемам выше нанометрового уровня.
В еще меньших масштабах, атомов и молекул, из-за принципа неопределенности квантовой механики , заряженная частица не имеет точного положения, а представлена распределением вероятностей , поэтому заряд отдельной частицы не сосредоточен в точке, а «размазан» в пространстве и действует как истинное непрерывное распределение заряда. [4] Это значение «распределения заряда» и «плотности заряда», используемых в химии и химической связи . Электрон представлен волновой функцией , квадрат которой пропорционален вероятности нахождения электрона в любой точке пространства, поэтому пропорционален плотности заряда электрона в любой точке. В атомах и молекулах заряд электронов распределен в облаках, называемых орбиталями , которые окружают атом или молекулу и отвечают за химические связи .
Ниже приведены определения для непрерывных распределений заряда. [5] [6]
Линейная плотность заряда — это отношение бесконечно малого электрического заряда dQ (единица СИ: Кл ) к бесконечно малому элементу линии , аналогично поверхностная плотность заряда использует элемент площади поверхности dS , а объемная плотность заряда использует элемент объема dV.
Интеграция определений дает полный заряд Q области в соответствии с линейным интегралом линейной плотности заряда λ q ( r ) по линии или одномерной кривой C , аналогично поверхностным интегралом поверхностной плотности заряда σ q ( r ) по поверхности S и объемным интегралом объемной плотности заряда ρ q ( r ) по объему V , где нижний индекс q нужен для пояснения того, что плотность относится к электрическому заряду, а не к другим плотностям, таким как плотность массы , плотность числа , плотность вероятности , и для предотвращения конфликта со многими другими применениями λ , σ , ρ в электромагнетизме для длины волны , электрического сопротивления и проводимости .
В контексте электромагнетизма индексы обычно опускаются для простоты: λ , σ , ρ . Другие обозначения могут включать: ρ ℓ , ρ s , ρ v , ρ L , ρ S , ρ V и т. д.
Общий заряд, деленный на длину, площадь поверхности или объем, будет средней плотностью заряда:
В диэлектрических материалах общий заряд объекта можно разделить на «свободные» и «связанные» заряды.
Связанные заряды устанавливают электрические диполи в ответ на приложенное электрическое поле E и поляризуют другие близлежащие диполи, стремясь выстроить их в линию, чистое накопление заряда от ориентации диполей является связанным зарядом. Они называются связанными, потому что их нельзя удалить: в диэлектрическом материале заряды являются электронами, связанными с ядрами . [6]
Свободные заряды — это избыточные заряды, которые могут перейти в электростатическое равновесие , то есть когда заряды не движутся и результирующее электрическое поле не зависит от времени, или представляют собой электрические токи . [5]
В терминах объемных плотностей заряда общая плотность заряда равна: а для поверхностных плотностей заряда: где индексы «f» и «b» обозначают «свободный» и «связанный» соответственно.
Связанный поверхностный заряд — это заряд, накопленный на поверхности диэлектрика , заданный дипольным моментом, перпендикулярным поверхности: [6] где s — расстояние между точечными зарядами, составляющими диполь, — электрический дипольный момент , — единичный вектор нормали к поверхности.
Взяв бесконечно малые величины и разделив их на дифференциальный элемент поверхности dS, получаем плотность связанного поверхностного заряда: где P — плотность поляризации , т.е. плотность электрических дипольных моментов внутри материала, а dV — дифференциальный элемент объема .
Используя теорему о расходимости , можно определить плотность связанного объемного заряда внутри материала :
Отрицательный знак возникает из-за противоположных знаков зарядов в диполях, один конец которых находится внутри объема объекта, другой — на поверхности.
Более строгий вывод приведен ниже. [6]
Электрический потенциал, обусловленный дипольным моментом d, равен:
Для непрерывного распределения материал можно разделить на бесконечное множество бесконечно малых диполей , где dV = d 3 r′ — элемент объема, поэтому потенциал — это объемный интеграл по объекту:
Так как ∇′ — градиент в координатах r′ ,
Интегрируем по частям, используя теорему о расходимости:
который разделяется на потенциал поверхностного заряда ( поверхностный интеграл ) и потенциал, обусловленный объемным зарядом (объемный интеграл):
то есть
Плотность свободного заряда служит полезным упрощением закона Гаусса для электричества; ее объемный интеграл представляет собой свободный заряд, заключенный в заряженном объекте, равный чистому потоку электрического поля смещения D , выходящего из объекта:
Более подробную информацию см . в уравнениях Максвелла и основных соотношениях .
Для частного случая однородной плотности заряда ρ 0 , не зависящей от положения, т.е. постоянной во всей области материала, уравнение упрощается до:
Начнем с определения плотности непрерывного объемного заряда:
Тогда, по определению однородности, ρ q ( r ) является константой, обозначаемой ρ q , 0 (чтобы различать постоянную и непостоянную плотности), и поэтому по свойствам интеграла может быть вынесена за пределы интеграла, что приводит к: итак,
Эквивалентные доказательства для линейной плотности заряда и поверхностной плотности заряда следуют тем же аргументам, что и выше.
Для одиночного точечного заряда q в положении r 0 внутри области трехмерного пространства R , например, электрона , объемная плотность заряда может быть выражена дельта-функцией Дирака : где r — положение для расчета заряда.
Как всегда, интеграл плотности заряда по области пространства — это заряд, содержащийся в этой области. Дельта-функция имеет свойство сдвига для любой функции f : поэтому дельта-функция гарантирует, что при интегрировании плотности заряда по R полный заряд в R равен q :
Это можно распространить на N дискретных точечных носителей заряда. Плотность заряда системы в точке r представляет собой сумму плотностей заряда для каждого заряда q i в позиции r i , где i = 1, 2, ..., N :
Дельта-функция для каждого заряда q i в сумме, δ ( r − r i ), гарантирует, что интеграл плотности заряда по R возвращает полный заряд в R :
Если все носители заряда имеют одинаковый заряд q (для электронов q = − e , заряд электрона ), плотность заряда можно выразить через число носителей заряда в единице объема, n ( r ), по формуле
Аналогичные уравнения используются для линейной и поверхностной плотности заряда.
В специальной теории относительности длина сегмента провода зависит от скорости наблюдателя из-за сокращения длины , поэтому плотность заряда также будет зависеть от скорости. Энтони Френч [7] описал, как сила магнитного поля провода с током возникает из этой относительной плотности заряда. Он использовал (стр. 260) диаграмму Минковского , чтобы показать, «как нейтральный провод с током, по-видимому, несет чистую плотность заряда, наблюдаемую в движущейся системе отсчета». Когда плотность заряда измеряется в движущейся системе отсчета, она называется собственной плотностью заряда . [8] [9] [10]
Оказывается, плотность заряда ρ и плотность тока J преобразуются вместе как вектор четырехтока при преобразованиях Лоренца .
В квантовой механике плотность заряда ρ q связана с волновой функцией ψ ( r ) уравнением , где q — заряд частицы, а | ψ ( r ) | 2 = ψ *( r ) ψ ( r ) — функция плотности вероятности , т.е. вероятность на единицу объема частицы, расположенной в точке r . Когда волновая функция нормализована — средний заряд в области r ∈ R равен , где d 3 r — мера интегрирования по трехмерному пространству положений.
Для системы идентичных фермионов плотность числа определяется как сумма плотностей вероятности каждой частицы в:
Используя условие симметризации: где рассматривается как плотность заряда.
Потенциальная энергия системы записывается как: Таким образом, энергия отталкивания электронов при этих условиях получается равной: Обратите внимание, что это не включает обменную энергию системы, которая является чисто квантово-механическим явлением и должна рассчитываться отдельно.
Тогда энергия определяется с помощью метода Хартри-Фока как:
Где I — кинетическая и потенциальная энергия электронов, обусловленная положительными зарядами, J — энергия взаимодействия электронов и K — обменная энергия электронов. [11] [12]
Плотность заряда появляется в уравнении непрерывности электрического тока, а также в уравнениях Максвелла . Это главный исходный член электромагнитного поля ; когда распределение заряда перемещается, это соответствует плотности тока . Плотность заряда молекул влияет на химические и разделительные процессы. Например, плотность заряда влияет на связь металл-металл и водородную связь . [13] Для процессов разделения, таких как нанофильтрация , плотность заряда ионов влияет на их отторжение мембраной. [14]
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)