Jump to content

Плотность заряда

В электромагнетизме плотность заряда — это количество электрического заряда на единицу длины , площади поверхности или объёма . Объемная плотность заряда (обозначается греческой буквой ρ) — количество заряда в единице объема, измеряемое в системе СИ в кулонах на кубический метр (Кл⋅м −3 ), в любой точке объема. [1] [2] [3] Плотность поверхностного заряда (σ) — это количество заряда на единицу площади, измеряемое в кулонах на квадратный метр (Кл⋅м). −2 ), в любой точке поверхностного распределения 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 линии распределения 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 зарядов , хотя все реальные распределения зарядов состоят из дискретных заряженных частиц. Из-за сохранения электрического заряда плотность заряда в любом объеме может измениться только в том случае, если электрический ток заряда течет в объем или из него. Это выражается уравнением непрерывности , связывающим 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 электрически заряженного металлического объекта состоит из электронов проводимости, металла хаотично движущихся в кристаллической решетке . Статическое электричество вызывается поверхностными зарядами, состоящими из электронов и ионов, вблизи поверхности объектов, а объемный заряд в вакуумной трубке состоит из облака свободных электронов, хаотично 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 частиц. Однако поскольку элементарный заряд электрона настолько мал (1,6⋅10 −19 в) и их очень много в макроскопическом объёме (их около 10 22 электроны проводимости в кубическом сантиметре меди) непрерывное приближение очень точно применительно к макроскопическим объемам и даже к 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 какой-то точке, а «размазывается» в пространстве и действует как истинное непрерывное распределение заряда. [4] В этом смысл понятий «распределение заряда» и «плотность заряда», используемых в химии и химической связи . Электрон представлен волновой функцией квадрат которого пропорционален вероятности найти электрон в любой точке в космосе, поэтому пропорциональна 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

[ редактировать ]

Постоянные начисления

[ редактировать ]
Непрерывное распределение заряда. Объемная плотность заряда ρ — это количество заряда на единицу объема (трехмерное), плотность поверхностного заряда σ — количество на единицу площади поверхности (круг) с внешней единичной нормалью , d дипольный момент между двумя точечными зарядами, объемная плотность из них — поляризации P. плотность Вектор положения r — точка для расчета электрического поля ; r' — точка заряженного объекта.

Ниже приведены определения непрерывного распределения заряда. [5] [6]

Линейная плотность заряда — это отношение бесконечно малого электрического заряда dQ (единица СИ: C ) к бесконечно малому линейному элементу , аналогично плотность поверхностного заряда использует площади поверхности элемент dS а плотность объемного заряда использует объема элемент dV

Интегрирование определений дает общий заряд Q области в соответствии с линейным интегралом линейной плотности заряда λ q ( r ) по линии или 1d кривой C , аналогично поверхностный интеграл поверхностной плотности заряда σ q ( r ) по поверхности S , и объемный интеграл от объемной плотности заряда ρ q ( r ) по объему V , где индекс q должен прояснить, что плотность относится к электрическому заряду, а не к другим плотностям, таким как плотность массы , плотность числа , плотность вероятности , и предотвратить конфликт со многими другими использованиями λ , σ , ρ в электромагнетизме для длины волны , удельного электрического сопротивления и проводимость .

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, разделенный на длину, площадь поверхности или объем, будет средней плотностью заряда:

Бесплатная, связанная и полная оплата

[ редактировать ]

В диэлектрических материалах общий заряд объекта можно разделить на «свободные» и «связанные» заряды.

Связанные заряды создают электрические диполи в ответ на приложенное электрическое поле E и поляризуют другие близлежащие диполи, стремясь выстроить их в линию; чистое накопление заряда в результате ориентации диполей представляет собой связанный заряд. Их называют связанными, потому что их нельзя удалить: в диэлектрике зарядами являются электроны, связанные с ядрами . [6]

Свободные заряды — это избыточные заряды, которые могут прийти в электростатическое равновесие , т. е. когда заряды не движутся и результирующее электрическое поле не зависит от времени, или образовывать электрические токи . [5]

Полная плотность заряда

[ редактировать ]

С точки зрения объемной плотности заряда полная плотность заряда равна: что касается поверхностной плотности заряда: где индексы «f» и «b» означают «свободный» и «связанный» соответственно.

Связанный заряд

[ редактировать ]

Связанный поверхностный заряд — это заряд, накопившийся на поверхности диэлектрика , определяемый дипольным моментом, перпендикулярным поверхности: [6] где s — расстояние между точечными зарядами, составляющими диполь, электрический дипольный момент , единичный вектор нормали к поверхности.

Взяв бесконечно малые значения : и деление на дифференциальный поверхностный элемент dS дает связанную плотность поверхностного заряда: где P плотность поляризации , т.е. плотность электрических дипольных моментов внутри материала, а dV – дифференциальный элемент объема .

Используя теорему о дивергенции , связанная объемная плотность заряда внутри материала равна следовательно:

Отрицательный знак возникает из-за противоположных знаков зарядов в диполях: один конец находится в объеме объекта, другой — на поверхности.

Ниже приведен более строгий вывод. [6]

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

Электрический потенциал, обусловленный дипольным моментом d, равен:

Для непрерывного распределения материал можно разделить на бесконечное количество бесконечно малых диполей. где dV = d 3 r' — элемент объема, поэтому потенциал — это интеграл объема по объекту:

С где ∇′ — градиент в координатах r′ ,

Интегрирование по частям используя теорему о дивергенции:

\оинт

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

\оинт

то есть

Плотность свободного заряда

[ редактировать ]

Плотность свободного заряда служит полезным упрощением закона Гаусса для электричества; объемный интеграл от него — это свободный заряд, заключенный в заряженном объекте, равный чистому потоку электрического поля смещения D, выходящего из объекта:

\оинт

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

Однородная плотность заряда

[ редактировать ]

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

Доказательство

[ редактировать ]

Начнем с определения непрерывной объемной плотности 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 можно вывести за пределы интеграла, в результате чего в: так,

Эквивалентные доказательства для линейной плотности заряда и поверхностной плотности заряда следуют тем же аргументам, что и выше.

Дискретные расходы

[ редактировать ]

Для одного точечного заряда q в положении r 0 внутри области трехмерного пространства R , такого как электрон , объемная плотность заряда может быть выражена дельта -функцией Дирака : где r — позиция для расчета заряда.

Как всегда, интеграл от плотности заряда по определенной области пространства — это заряд, содержащийся в этой области. Дельта-функция обладает свойством сдвига для любой функции f : таким образом, дельта-функция гарантирует, что при интегрировании плотности заряда по R общий заряд в R равен q :

Это можно распространить на N дискретных точечных носителей заряда. Плотность заряда системы в точке r представляет собой сумму плотностей зарядов 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 общий заряд в R :

Если все носители заряда имеют одинаковый заряд q (для электронов q = − e , заряд электрона ), плотность заряда может быть выражена через количество носителей заряда на единицу объема, n ( r ), по формуле

Аналогичные уравнения используются для линейной и поверхностной плотности заряда.

Плотность заряда в специальной теории относительности

[ редактировать ]

В специальной теории относительности длина отрезка проволоки 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-за этой относительной плотности заряда. Он использовал (стр. 260) диаграмму Минковского , чтобы показать, «как нейтральный провод с током несет результирующую плотность заряда, наблюдаемую в движущейся системе отсчета». Когда плотность заряда измеряется в движущейся системе отсчета, это называется собственной плотностью заряда . [8] [9] [10]

Оказывается, плотность заряда ρ и плотность тока J преобразуются вместе как вектор четырехтоков при преобразованиях Лоренца .

Плотность заряда в квантовой механике

[ редактировать ]

В квантовой механике плотность заряда ρ q связана с волновой функцией ψ ( r ) уравнением где q — заряд частицы и | ψ ( р ) | 2 = ψ *( r ) ψ ( r ) функция плотности вероятности , т.е. вероятность на единицу объема частицы, расположенной в точке r .При нормировке волновой функции средний заряд в области r R равен где d 3 r мера интегрирования в трехмерном позиционном пространстве.

Для системы одинаковых фермионов плотность чисел определяется как сумма плотности вероятности каждой частицы в:

Используя условие симметризации: где считается плотностью заряда.

Потенциальная энергия системы записывается как: Таким образом, энергия электрон-электронного отталкивания в этих условиях определяется как: Обратите внимание, что при этом не учитывается обменная энергия системы, которая является чисто квантовомеханическим явлением и должна рассчитываться отдельно.

Затем энергия определяется с использованием метода Хартри-Фока как:

Где I — кинетическая и потенциальная энергия электронов, обусловленная положительными зарядами, J — энергия взаимодействия электронов с электронами, а K — обменная энергия электронов. [11] [12]

Приложение

[ редактировать ]

Плотность заряда появляется в уравнении непрерывности электрического тока, а также в уравнениях Максвелла . Это основной источник электромагнитного поля ; когда распределение заряда движется, это соответствует плотности тока . Плотность заряда молекул влияет на химические процессы и процессы разделения. Например, плотность заряда влияет на связь металл-металл и водородную связь . [13] В процессах разделения, таких как нанофильтрация , плотность заряда ионов влияет на их отторжение мембраной. [14]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ П.М. Уилан, М.Дж. Ходжсон (1978). Основные принципы физики (2-е изд.). Джон Мюррей. ISBN  0-7195-3382-1 .
  2. ^ «Физика 2: Электричество и магнетизм, Конспекты курса, гл. 2, стр. 15-16» (PDF) . MIT OpenCourseware . Массачусетский технологический институт. 2007 . Проверено 3 декабря 2017 г.
  3. ^ Сервей, Раймонд А.; Джуэтт, Джон В. (2013). Физика для ученых и инженеров, Том. 2, 9-е изд . Cengage Обучение. п. 704. ИСБН  9781133954149 .
  4. ^ Jump up to: а б Перселл, Эдвард (22 сентября 2011 г.). Электричество и магнетизм . Издательство Кембриджского университета. ISBN  9781107013605 .
  5. ^ Jump up to: а б ИС Грант; В. Р. Филлипс (2008). Электромагнетизм (2-е изд.). Манчестерская физика, Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-92712-9 .
  6. ^ Jump up to: а б с д Диджей Гриффитс (2007). Введение в электродинамику (3-е изд.). Pearson Education, Дорлинг Киндерсли. ISBN  978-81-7758-293-2 .
  7. ^ Френч, А. (1968). «8: Относительность и электричество». Специальная теория относительности . WW Нортон . стр. 229–265.
  8. ^ Молд, Ричард А. (2001). «Сила Лоренца». Основная теория относительности . Springer Science & Business Media . ISBN  0-387-95210-1 .
  9. ^ Лоуден, Дерек Ф. (2012). Введение в тензорное исчисление: теория относительности и космология . Курьерская корпорация. п. 74. ИСБН  978-0-486-13214-3 .
  10. ^ Вандерлинде, Джек (2006). «11.1: Четырехпотенциал и закон Кулона». Классическая электромагнитная теория . Springer Science & Business Media. п. 314. ИСБН  1-4020-2700-1 .
  11. ^ Сакурай, Джун Джон; Наполитано, Джим (2021). Современная квантовая механика (3-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 443–453. ISBN  978-1-108-47322-4 .
  12. ^ Литтлджон, Роберт Г. «Метод Хартри-Фока в атомах» (PDF) .
  13. ^ Р. Дж. Гиллеспи и PLA Popelier (2001). «Химическая связь и молекулярная геометрия». Экологические науки и технологии . 52 (7). Издательство Оксфордского университета: 4108–4116. Бибкод : 2018EnST...52.4108E . doi : 10.1021/acs.est.7b06400 . ПМИД   29510032 .
  14. ^ Рази Эпштейн, Эвиатар Шаульский, Надир Дизге, Дэвид М. Варсингер, Менахем Элимелех (2018). «Зависимое от плотности ионного заряда исключение Доннана в нанофильтрации одновалентных анионов». Экологические науки и технологии . 52 (7): 4108–4116. Бибкод : 2018EnST...52.4108E . doi : 10.1021/acs.est.7b06400 . ПМИД   29510032 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
  • [1] - Пространственные распределения заряда
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d230cdd5c5e3c39721cf31daba60a0b8__1713912360
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d2/b8/d230cdd5c5e3c39721cf31daba60a0b8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Charge density - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)