Плотность заряда
Статьи о |
Электромагнетизм |
---|
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 ]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 ℓ , 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]
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:
который распадается на потенциал поверхностного заряда ( поверхностный интеграл ) и потенциал, обусловленный объемным зарядом (объемный интеграл):
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:
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 ]- Уравнение непрерывности, связывающее плотность заряда и плотность тока
- Ионный потенциал
- Волна плотности заряда
Ссылки
[ редактировать ]- ^ П.М. Уилан, М.Дж. Ходжсон (1978). Основные принципы физики (2-е изд.). Джон Мюррей. ISBN 0-7195-3382-1 .
- ^ «Физика 2: Электричество и магнетизм, Конспекты курса, гл. 2, стр. 15-16» (PDF) . MIT OpenCourseware . Массачусетский технологический институт. 2007 . Проверено 3 декабря 2017 г.
- ^ Сервей, Раймонд А.; Джуэтт, Джон В. (2013). Физика для ученых и инженеров, Том. 2, 9-е изд . Cengage Обучение. п. 704. ИСБН 9781133954149 .
- ^ Jump up to: а б Перселл, Эдвард (22 сентября 2011 г.). Электричество и магнетизм . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781107013605 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Френч, А. (1968). «8: Относительность и электричество». Специальная теория относительности . WW Нортон . стр. 229–265.
- ^ Молд, Ричард А. (2001). «Сила Лоренца». Основная теория относительности . Springer Science & Business Media . ISBN 0-387-95210-1 .
- ^ Лоуден, Дерек Ф. (2012). Введение в тензорное исчисление: теория относительности и космология . Курьерская корпорация. п. 74. ИСБН 978-0-486-13214-3 .
- ^ Вандерлинде, Джек (2006). «11.1: Четырехпотенциал и закон Кулона». Классическая электромагнитная теория . Springer Science & Business Media. п. 314. ИСБН 1-4020-2700-1 .
- ^ 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 .
- ^ Литтлджон, Роберт Г. «Метод Хартри-Фока в атомах» (PDF) .
- ^ 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 .
- ^ 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 ]- А. Халперн (1988). 3000 решенных задач по физике . Серия Шаум, МакГроу Хилл. ISBN 978-0-07-025734-4 .
- Г. Воан (2010). Кембриджский справочник физических формул . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57507-2 .
- П. А. Типлер, Г. Моска (2008). Физика для ученых и инженеров - с современной физикой (6-е изд.). Фримен. ISBN 978-0-7167-8964-2 .
- Р.Г. Лернер , Г.Л. Тригг (1991). Энциклопедия физики (2-е изд.). Издатели ВХК. ISBN 978-0-89573-752-6 .
- CB Паркер (1994). Энциклопедия физики МакГроу Хилла (2-е изд.). Издатели ВХК. ISBN 978-0-07-051400-3 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- [1] - Пространственные распределения заряда