stringtranslate.com

Плотность заряда

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 .

Определения

Непрерывные заряды

Непрерывное распределение заряда. Объемная плотность заряда ρ — это количество заряда на единицу объема (трехмерное), поверхностная плотность заряда σ — это количество на единицу площади поверхности (круг) с внешней единичной нормалью , d — это дипольный момент между двумя точечными зарядами, объемная плотность которых — это плотность поляризации P. Радиус-вектор r — это точка для расчета электрического поля ; r — это точка в заряженном объекте.

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 , 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:

Свободный, связанный и полный заряд

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]

Полная плотность заряда

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 заряд

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 Pплотность 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]

Вывод плотностей связанных поверхностных и объемных зарядов из внутренних дипольных моментов (связанных зарядов)

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:

\oiint

который разделяется на потенциал поверхностного заряда ( поверхностный интеграл ) и потенциал, обусловленный объемным зарядом (объемный интеграл):

\oiint

то есть

Плотность свободного заряда

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:

\oiint

Более подробную информацию см . в уравнениях Максвелла и основных соотношениях .

Однородная плотность заряда

Для частного случая однородной плотности заряда ρ 0 , не зависящей от положения, т.е. постоянной во всей области материала, уравнение упрощается до:

Доказательство

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.

Дискретные сборы

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 ( rr 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.

Плотность заряда в специальной теории относительности

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 .

Плотность заряда в квантовой механике

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 rR равен , где d 3 rмера 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]

Приложение

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]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ PM Whelan, MJ Hodgson (1978). Essential Principles of Physics (2-е изд.). Джон Мюррей. ISBN 0-7195-3382-1.
  2. ^ "Физика 2: Электричество и магнетизм, заметки к курсу, гл. 2, стр. 15-16" (PDF) . MIT OpenCourseware . Массачусетский технологический институт. 2007 . Получено 3 декабря 2017 г. .
  3. ^ Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2013). Физика для ученых и инженеров, т. 2, 9-е изд. Cengage Learning. стр. 704. ISBN 9781133954149.
  4. ^ ab Purcell, Edward (2011-09-22). Электричество и магнетизм. Cambridge University Press. ISBN 9781107013605.
  5. ^ ab IS Grant; WR Phillips (2008). Электромагнетизм (2-е изд.). Manchester Physics, John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92712-9.
  6. ^ abcd DJ Griffiths (2007). Введение в электродинамику (3-е изд.). Pearson Education, Dorling Kindersley. ISBN 978-81-7758-293-2.
  7. ^ Френч, А. (1968). "8:Относительность и электричество". Специальная теория относительности . WW Norton . С. 229–265.
  8. ^ Молд, Ричард А. (2001). "Сила Лоренца". Базовая теория относительности . Springer Science & Business Media . ISBN 0-387-95210-1.
  9. ^ Лоуден, Дерек Ф. (2012). Введение в тензорное исчисление: теория относительности и космология . Courier Corporation. стр. 74. ISBN 978-0-486-13214-3.
  10. ^ Вандерлинде, Джек (2006). "11.1: Четырехпотенциал и закон Кулона". Классическая электромагнитная теория . Springer Science & Business Media. стр. 314. ISBN 1-4020-2700-1.
  11. ^ Сакурай, Джун Джон; Наполитано, Джим (2021). Современная квантовая механика (3-е изд.). Кембридж: Cambridge University Press. С. 443–453. ISBN 978-1-108-47322-4.
  12. ^ Литтлджон, Роберт Г. «Метод Хартри-Фока в атомах» (PDF) .
  13. ^ RJ Gillespie & PLA Popelier (2001). «Химическая связь и молекулярная геометрия». Environmental Science & Technology . 52 (7). Oxford University Press: 4108–4116. Bibcode : 2018EnST...52.4108E. doi : 10.1021/acs.est.7b06400. PMID  29510032.
  14. ^ Рази Эпштейн, Эвьятар Шаульский, Надир Дизге, Дэвид М. Варсингер, Менахем Элимелех (2018). «Зависимое от плотности заряда ионов исключение Доннана при нанофильтрации одновалентных анионов». Environmental Science & Technology . 52 (7): 4108–4116. Bibcode : 2018EnST...52.4108E. doi : 10.1021/acs.est.7b06400. PMID  29510032.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки