Свободные и связанные электрические заряды, токи проводимости и смещения

В зависимости от способности перемещаться в электрическом поле заряды могут быть разделены на две большие группы. Заряды первой группы характеризуются возможностью неограниченного перемещения в электрическом поле и поэтому называются свободными зарядами. Вторая группа зарядов не имеет этой возможности, их перемещение ограничивается структурой атома, молекулы, кристалла или неоднородностью строения вещества. Эти заряды называются связанными.

Разделение на свободные и связанные заряды не всегда зависит только от физической природы рассматриваемых частиц. Заряды, являющиеся свободными в однородной среде, могут оказаться связанными при образовании композиций, состоящих из различных материалов.

Свободные электроны и ионы вещества под действием электрического поля перемещаются от одного электрода к другому, образуя ток проводимости.

Связанные электрические заряды под действием электрического поля имеют возможность перемешаться только в некоторых, часто очень ограниченных, пределах. Этот процесс перемещения, называемый поляризацией, характеризуется вектором поляризации, и существенно зависит от физических связей между зарядами. При поляризации смещаются заряды под действием электрического поля и появляется ток смещения.

Диэлектрик содержит равное количество положительных и отрицательных связанных между собой зарядов, и влияние внешнего электрического поля сказывается на взаимном смещении центров положительных и отрицательных зарядов и в появлении электрических моментов пар разноименных зарядов — дипольных моментов. В однородном поле вектор поляризации представляет собой среднее значение суммарного дипольного момента единицы объема. Поляризации диэлектрика зависит от напряженности электрического поля.

Явление поляризации диэлектриков и появления тока смещения в промышленности используется при высокочастотном нагреве диэлектриков (например, сушка древесины, картона, нагрев в пищевой промышленности) и полупроводников.

Нагреваемый материал помещается между пластинами конденсатора, к которым подведено напряжение высокой частоты. Токи проводимости и смещения, возникающие в материале, помещенном в электрическом поле высокой частоты, вызывают выделение тепла в материале и его нагрев. Этот вид нагрева называется диэлектрическим нагревом.

Процесс сушки влажных материалов, т. е. удаление из них влаги, может происходить за счет двух явлений: непосредственного испарения влаги внутри материала и выхода ее в виде пара и перемещения влаги в жидкой фазе из внутренних областей к поверхности. Наличие электрического поля в материале оказывает существенное влияние на испарение и перемещение влаги, позволяя значительно интенсифицировать процесс сушки.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Свободные и связанные заряды

Вы будете перенаправлены на Автор24

Что такое свободные и связанные заряды

Когда мы рассматриваем диэлектрики в электростатических полях необходимо различать два вида электрических зарядов: свободные и связанные.

Свободными зарядами надо считать заряды, которые могут под действием поля перемещаться на существенные расстояния, как например, электроны в проводниках, ионы в газах и заряды, привнесенные извне на поверхность диэлектриков, которые нарушают их (диэлектриков) нейтральность. Заряды, которые входят в состав нейтральных, в целом, молекул диэлектриков, так же, как и ионы, которые закреплены в кристаллических решетках твердых диэлектриков около положений равновесия, называют связанными зарядами.

Из уравнений (1) и (3) следует, что:

Плотность связанных зарядов

\[\overrightarrow=-\nabla \varphi \ \to div\overrightarrow=-<\nabla >^2\varphi (8)\]

и учитывая (6), можно записать, что:

\[div\overrightarrow<(E>+4\pi \overrightarrow

)=4\pi \rho \ \left(10\right).\]

Для того, чтобы получить полную систему уравнений электростатики к уравнению (10), необходимо добавить выражение, связывающее векторы напряженности электрического поля и вектор поляризации.

Итак, при наличии внешнего электрического поля вещество само становится источником поля, следовательно, поле изменяется.

Если между обкладками конденсатора вакуум, то напряженность поля, которое создают заряженные обкладки, равно:

Так как диэлектрик поляризуется, напряженность поля уменьшается. Так как диэлектрик считаем однородным, поле, которое создается в плоском конденсаторе, также можно считать однородным, делаем вывод о том, что поляризованность диэлектрика однородна, то есть объемные связанные заряды отсутствуют ($<\rho >_=0$). Имеем только поверхностные заряды плотность которых ($<\sigma >_$):

Зная связь напряженности поля и вектора поляризации для изотропного диэлектрика:

На этом основании запишем, что напряженность поля в конденсаторе при наличии диэлектрика равна:

Источник

СВОБОДНЫЕ ЗАРЯДЫ

1) избыточные электрич. заряды, сообщённые проводящему или непроводящему телу и вызывающие нарушение его электронейтральности. 2) Электрич. заряды носителей тока. 3) положит. электрич. заряды атомных остатков в металлах.

Смотреть что такое «СВОБОДНЫЕ ЗАРЯДЫ» в других словарях:

СВОБОДНЫЕ ЗАРЯДЫ — а) избыточные электрические заряды, сообщённые проводящему или непроводящему телу и вызывающие нарушение его электронейтральности; б) электрические заряды частиц, которые под влиянием электрического поля способны перемещаться на макроскопические… … Большая политехническая энциклопедия

Уравнения Максвелла — Классическая электродинамика … Википедия

Электрический заряд — q, Q Размерность T I … Википедия

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА — классическая, теория (неквантовая) поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрич. зарядами (электромагнитное взаимодействие). Законы классич. макроскопич. Э. сформулированы в Максвелла уравнениях, к рые позволяют … Физическая энциклопедия

электростатическое поле — электрическое поле неподвижных электрических зарядов. * * * ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними.… … Энциклопедический словарь

НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ — векторная величина E, являющаяся осн. количеств. хар кой электрич. поля; определяется отношением силы, действующей со стороны поля на электрич. заряд, к величине заряда (при этом заряд должен быть малым, чтобы не изменять ни величины, ни… … Физическая энциклопедия

ПИРОЭЛЕКТРИКИ — кристаллич диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, т. е. поляризацией в отсутствии электрич. поля и др. внеш. воздействий. Спонтанная поляризация результат несовпадения «центров тяжести» положит. и отрицат. зарядов. Обычно наблюдается не … Физическая энциклопедия

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — одна из осн. хар к частиц и тел, определяющая их взаимодействие с внеш. электромагнитным полем, а также их взаимосвязь с собств. электромагн. полем. Существуют Э. з. двух сортов, условно наз. по ложительными и отрицательными. Э. з. тела равен… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Пироэлектрики — (от греч. pýr огонь) кристаллические Диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, т. е. поляризацией в отсутствии внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация П. не заметна, так как электрическое поле,… … Большая советская энциклопедия

Электроинерционные опыты — опыты, доказавшие, что проводимость металлов обусловлена свободными электронами. Эти опыты были выполнены Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси в 1912 (результаты опытов не были опубликованы) и американскими физиками Т. Стюартом и Р.… … Большая советская энциклопедия

Источник

Что называется свободным зарядом

Усредняя по макроскопически малому объему и промежутку времени уравнения первой группы Максвелла-Лоренца, получим

Для усреднения зарядов и токов разделим все заряды в макроскопическом теле на свободные и связанные. Пусть микроскопическая плотность свободных зарядов равна а микроскопическая плотность

связанных зарядов Соответственно микроскопические плотности токов свободных и связанных зарядов будут

В классической теории свободными зарядами называются заряды, способные под влиянием сколь угодно малых воздействий перемещаться внутри тела на макроскопические расстояния, практически от одной границы тела до другой. Таковы, например, электроны в металлах, ионы в газах и электролитах. К свободным зарядам относят также заряды, введенные в тело (или нанесенные на его поверхность). Связанными зарядами называются заряды, которые не могут свободно перемещаться в теле. Под влиянием внешних воздействий такие заряды могут лишь смещаться из своих положений равновесия на расстояния атомного порядка.

Можно считать, что макроскопическое тело состоит из электрически нейтральных атомов или молекул. Атом или молекула представляет собой сложную систему заряженных микрочастиц — положительных ядер и отрицательных электронов. Законы движения микрочастиц устанавливаются квантовой механикой. Позаимствуем из квантовой теории уцрощенное представление о движении микрочастиц, согласно которому ядра колеблются около положений равновесия, а электроны движутся вокруг ядер и образуют объемные заряды, распределенные с постоянной плотностью и дающие стационарные токи. Под влиянием внешних воздействий изменяется движение зарядов и распределение плотности. При достаточно большом воздействии связанные заряды превращаются в свободные. Таким образом, разделение зарядов на свободные и связанные условно и зависит от воздействия на них. Это разделение может считаться достаточно определенным лишь в том случае, когда воздействия, например создаваемые в телах внешние поля, достаточно малы.

Усреднив микроскопические плотности зарядов и токов, получим макроскопические плотности свободных зарядов связанных зарядов и соответствующие им плотности токов (плотность тока проводимости) и (плотность тока связанных зарядов)

Плотности заряда и тока свободных зарядов определяются распределением и движением свободных зарядов. Пусть — число зарядов сорта а в кубическом сантиметре, скорость этих зарядов. Тогда

(суммирование производится по всем сортам зарядов). Связанные заряды требуют более детального рассмотрения (§ 69).

В случае слабых воздействий, когда превращений связанных зарядов в свободные (и обратно) не происходит, имеют место законы сохранения

Последнее уравнение удовлетворяется автоматически, если положить

где векторы электрической и магнитной поляризации (§ 69, 70).

Источник

Свободные и связанные заряды. Поляризация вещества

Свободными зарядами называют заряды, которые под воздействием сил поля могут свободно перемещаться в веществе, их перемещение не ограничивается внутримолекулярными силами.

Под связанными зарядами принято понимать электрические заряды, входящие в состав вещества и удерживаемые в определенных положениях внутримолекулярными силами. Такие заряды «связаны» с данным веществом, неотделимы от него. Сумма положительных связанных зарядов равна сумме отрицательных связанных зарядов.

Если какое-либо диэлектрическое тело поместить в электрическое поле, то оно поляризуется.

Под поляризацией понимают упорядоченное изменение расположения связанных зарядов в теле, вызванное электрическим полем. Это изменение расположения проявляется в том, что отрицательные связанные заряды в теле переместятся в направлении более высокого потенциала, а положительные связанные заряды переместятся в сторону более низкого потенциала. Заряды сместятся настолько, что силы воздействия электрического поля на связанные заряды уравновесятся внутримолекулярными силами. В результате поляриза­ции на поверхности вещества как бы обнажаются связанные заряды.

Вектор поляризации

Электрическим моментом двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов, находящихся друг от друга на расстоянии l (диполя), называют произведение ql. Это векторная величина, направленная от заряда -q к заряду +q (рис. 11.6, а).

Рис. 11.6. К вопросу поляризации вещества: а) – электрический диполь, б) – электрический момент суммы диполей, в) – расположение связанных зарядов в диэлектрике.

В поляризованном веществе молекулы в электрическом отношении представляют собой диполи. Под действием внешнего электрического поля диполи стремятся ориентироваться в пространстве таким образом, чтобы электрический момент их был направлен параллельно вектору напряженности электрического поля. Практический интерес представляет электрический момент не одной молекулы, не одной пары зарядов, а суммы диполей, находящихся в единице объема вещества.

Электрический момент суммы диполей, находящихся в единице объема вещества, называют вектором поляризации и обозначают буквой

. (11.12)

Для большинства диэлектриков Р пропорционален напряженности электрического поля Е. Коэффициент пропорциональности между ними обозначают обычно через k и называют электрической восприимчивостью

. (11.13)

Все диэлектрики в отношении происходящих в них процессов при поляризации могут быть разбиты на 2 группы.

В первую группу входят диэлектрики, молекулы которых при отсутствии внешнего электрического поля электрически нейтральны, т.е. в них центры действия положительных и отрицательных зарядов совпадают. К числу таких диэлектриков относятся водород, азот, парафин, слюда и др.

Поляризация в диэлектриках первой группы состоит в том, что под действием внешнего электрического поля центр действия положительного заряда молекулы сместится по внешнему полю, а центр действия отрицательных зарядов сместится против поля. В результате молекула становится диполем. Это смещение зарядов молекулы пропорционально величине напряженности внешнего поля. Смещению противодействуют внутримолекулярные силы.

Во вторую группу диэлектриков входят диэлектрики, молекулы которых при отсутствии внешнего электрического поля представляют собой диполи. Другими словами, центры действия положительных и отрицательных зарядов этих молекул при отсутствии внешнего электрического поля не совпадают (полярные молекулы). В качестве диэлектрика с полярными молекулами может быть назван, например, хлористый водород.

Благодаря тепловому движению диполи располагаются хаотично, так что при отсутствии внешнего электрического поля их электрические поля взаимно нейтрализуются. Поляризация в диэлектриках второй группы состоит в том, что полярные молекулы стремятся повернуться таким образом, чтобы их электрический момент был направлен по внешнему электрическому полю.

Источник