Что такое плотность электрического заряда

Физическую величину, характеризующую возможности тел быть первопричиной электромагнитного поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях с другими заряженными телами, называют электрическим зарядом. Различают электрозаряды точечные и распределенные в пространстве или области тела. Если основными параметрами точечного заряда является его знак (положительный или отрицательный) и абсолютная величина, то распределенный заряд характеризуется знаком и величиной плотности заряда.

Типы зарядов

Следует различать два типа зарядов — свободные и связанные.

Связанные

Такие электрозаряды находятся в составе нейтральных молекул либо это ионы (отрицательные и положительные), зафиксированные в узлах кристаллической решетки.

Свободные

Электрозаряды, свободно перемещающиеся на большие расстояния, создавая тем самым электрический ток, могут быть:

• Электрозаряды в вакууме или газовой среде.
• Электроны, вылетевшие с валентных орбит металлов.
• Ионы в электролитах.
• Электрозаряды на поверхности диэлектриков.

Точечный электрозаряд

По определению точечным считается электрозаряд, сосредоточенный в вакууме или в веществе (газе, жидкости, твердом теле), при этом его геометрические размеры намного меньше расстояний до ближайших заряженных частиц или тел, с которыми происходит электромагнитное взаимодействие. На ниже показано обозначение положительного точечного электрозаряда. В физике похожим понятием является материальная точка, которая необходима для решения задач в классической механике.

Единица измерения электрозаряда q в системе СИ — кулон (Кл) названа в честь французского естествоиспытателя Кулона. Электрозаряд в 1 Кл соответствует электрозаряду, прошедшему через поперечное сечение проводника при силе электротока 1 А за 1 секунду: [1 Кл] = [1 A] * [1 c].

Линейная плотность электрозаряда

Линейным называется физический объект, представляющий собой длинную нить с поперечным размером много меньше его длины.

Для этого случая распределения вводится понятие линейной плотности электрического заряда λ, которая равна:

Формула справедлива для электрозаряда, равномерно распределенного по длине. Когда он распределен по длине неравномерно, следует пользоваться дифференциальной версией формулы линейной плотности:

Поверхностная плотность заряда

В случае распределения электрозаряда на какой-либо поверхности площадью S для расчетов удобно использовать плотность поверхностного электрического заряда σ:

σ = q / S

Приведенная выше формула справедлива для электрозаряда, равномерно распределенного по площади. Для неравномерно распределенного по поверхности электрозаряда следует пользоваться дифференциальной версией формулы поверхностной плотности.

Объёмная плотность заряда

На картинке ниже показана ситуация распределения заряда в объеме объекта V. Для такого распределения применяется объемная плотность заряда ρ:

ρ= q / V

Как и в предыдущих случаях, формула применима для электрозаряда, равномерно распределенного в объеме. Для неравномерно распределенного в объеме электрозаряда следует пользоваться дифференциальной версией формулы объемной плотности.

Заключение

Несмотря на то, что электрические заряды по своей сути дискретны, понятие плотности электрозаряда помогает упростить расчёты, не внося значительных ошибок. Следует помнить, что в отличие от плотности физических тел (веществ) плотность электрозаряда может быть и положительной, и отрицательной, поскольку в природе присутствуют и «плюсы», и «минусы».

Видео по теме