Ich studiere Einführung in die Elektrodynamik von Griffiths und bin auf ein Konzept gestoßen, das ich anscheinend nicht richtig verstehe. Das Konzept der kostenlosen und gebundenen Gebühr. Ich verstehe nicht, wie wir beide haben können. Ich verstehe, dass die Grenze durch das Vorhandensein eines E-Felds und eines Dielektrikums erzeugt wird. Woher kommt also die freie Ladung, wenn wir uns in einem Dielektrikum befinden? Hier ist ein Zitat aus dem Buch, das darüber spricht
In Sekt. 4.2 haben wir festgestellt, dass die Wirkung der Polarisation darin besteht, Anhäufungen gebundener Ladung zu erzeugen, innerhalb des Dielektrikums und an der Oberfläche. Das Feld aufgrund der Polarisation des Mediums ist nur das Feld dieser gebundenen Ladung. Wir sind jetzt bereit, alles zusammenzufügen: das Feld, das der gebundenen Gebühr zuzuordnen ist, plus das Feld, das auf alles andere zurückzuführen ist (was wir in Ermangelung eines besseren Begriffs als kostenlose Gebühr bezeichnen ). Die freie Ladung könnte aus Elektronen auf einem Leiter oder Ionen bestehen, die in das dielektrische Material oder was auch immer eingebettet sind; jede Ladung, mit anderen Worten, die nicht das Ergebnis einer Polarisation ist.
Stellen Sie sich einen Tropfen flüssiges Wasser vor. Jedes Molekül ist polar, weil die Elektronen näher am Sauerstoff sind als die Wasserstoffatome. Ohne ein großes externes elektrisches Feld bewegt sich das Wasser mit im Grunde zufälligen Orientierungen hin und her.
Machen Sie jetzt im Orbit einen sehr großen Kondensator mit parallelen Platten, laden Sie ihn auf und legen Sie Ihren Wasserklecks zwischen die Platten. Sie bewegen sich immer noch und stoßen aneinander, aber wenn jetzt die Wasserstoffseite in Richtung des elektrischen Felds zeigt, wird es (energietechnisch) schwieriger, diese Ausrichtung zu ändern. Im Laufe der Zeit kann das Wasser beginnen, eine bevorzugte Netzpolarisation zu entwickeln. Wie stark, kann sowohl von der Temperatur als auch von der Stärke des Feldes abhängen. Das ist deine Polarisierung. Stellen Sie sich vor, Sie betrachten eine Linie durch das Wasser, und wenn das Feld viel stärker wäre als die temperaturinduzierten Schwingungen, könnten Sie sehen, wie sich die einzelnen geladenen Teile jedes Wassermoleküls aneinanderreihen
wobei jeweils +- die beiden geladenen Seiten eines Wassermoleküls sind, also sind sie immer immer nebeneinander. Und für jemanden, der sich nur um die Nettogebühr kümmert, könnten sie schauen und sehen, wie es aussieht
Es könnte also so aussehen, als gäbe es nur eine gewisse Oberflächenladung. Aber das Plus an dem einen Ende ist mit dem negativen Teil direkt daneben verbunden und das negative (auf der anderen Seite der Oberfläche) ist mit dem positiven Teil direkt daneben verbunden.
Jetzt ist kein Wasser rein, also können Sie sich vorstellen, Salz in das Wasser zu geben, und einige der NaCl-Kristalle zerfallen wirklich in Na- und Cl-Ionen (sogar das Wasser selbst hat Ionen, einige der H20-Moleküle zerfallen in H- und OH-Ionen ) und diese Ionen haben wirklich jeweils eine Nettoladung und können sich bewegen. Das sind die freien Ladungen, in einem äußeren Feld können sie sich bewegen (als Ladungsträger für einen Strom oder an die Oberfläche gehen) und diese positiven und negativen Ladungen können wirklich weit voneinander entfernt sein.
Die gebundenen Ladungen werden nicht nur vom Parallelplattenkondensator beeinflusst, sie werden voneinander und von der freien Ladung beeinflusst, aber wenn Sie sich nicht um die gebundenen Ladungen gekümmert haben, interessieren Sie sich nur für die Ionen und Elektronen, die hinzugefügt werden können oder aus dem Wasser genommen, dann kann man mit dem Verdrängungsfeld arbeiten die die gebundene Ladung ignoriert. Dann erhalten Sie etwas, das verfolgt, was Ihnen wichtig ist.
Ein Beispiel ist ein hochdielektrischer Kondensator. Wenn Sie sich nur darum kümmern, wie es als Kondensator funktioniert, und es Ihnen egal ist, wo sich jedes polarisierte Molekül befindet, können Sie die berechnen Feld innen wie bei einem normalen Kondensator.
Ein Dielektrikum ist kein Leiter, es können also keine Elektronen hindurch fließen. Atome oder Moleküle im Inneren können jedoch polarisiert werden, wodurch ein elektrischer Dipol entsteht, der sich ausrichten kann, um das angelegte Feld zu verstärken, oder gegenausrichten kann, um das angelegte Feld zu verringern. Dies ist eine gebundene Ladung.
In einem Metall oder im freien Raum fließen die Elektronen und sind gewissermaßen frei. Sie können sich unabhängig von einem festen Atom bewegen.
Ich nehme an, dass es auch Materialien geben wird (aber in keinem Kurs, in dem ich je war), in denen Ladungen vorhanden sind, die sich bewegen können (frei) und solche, die als Atome zusammenkleben, um polarisiert (gebunden) zu werden. Ihr Buch kann alles in die freie Definition aufnehmen, was kein neutrales Atom ist, das polarisiert wird.
Bearbeiten als Antwort auf ein Update der Frage, schauen Sie auf der Wikipedia-Seite nach Curl: http://en.wikipedia.org/wiki/Curl_%28mathematics%29 . Wenn Sie sich in einem der Bilder vorstellen, dass an jeder Stelle, an der sich ein Pfeil befindet, ein Atom mit einem elektrischen Dipolmoment in der Größe und Richtung des Pfeils vorhanden ist. Daran können Sie sehen, wie es zu einer Kräuselung der Polarisation kommen kann.
Ich würde dies als Kommentar zu Eddys Antwort schreiben, die sehr präzise ist, aber nicht genug Sinn dafür hat. Ohnehin,
Ein Verbundmaterial aus dünnen Dielektrikumschichten, die durch dünne Leiterschichten getrennt sind, könnte in Ihren Fall passen. Oder Partikel von Leitern, die von einer dielektrischen Schicht entwickelt wurden, könnten ebenso gut sein.
In Leitern wie Metallen stehen freie Elektronen zur Verfügung. Diese freien Elektronen bewegen sich zufällig, so dass das elektrische Nettofeld innerhalb eines Leiters Null ist. Strom fließt, es sei denn, wir legen ein externes elektrisches Feld an metallische Leiter an. Diese freien Elektronen innerhalb des Leiters sind freie Ladungen, während es bei Dielektrika keine freien Elektronen gibt, weil die Elektronen durch molekulare Kräfte gebunden sind. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes werden Elektronen verschoben und bilden Dipole. Ein externes elektrisches Feld, das an ein dielektrisches Material angelegt wird, bewirkt eine Verschiebung gebundener geladener Elemente. Dies sind Elemente, die an Moleküle gebunden sind und sich nicht frei im Material bewegen können. Indem wir das Gaußsche Gesetz anwenden, wollen wir eine Fläche einschließen beiliegende gebundene Ladung
Wo ist der Polarisationsvektor von dielektrischem Material.
Der elektrische Rasierer eines Leiters und Isolators kann auf der Grundlage freier und gebundener Ladungen in metallischen Leitern verstanden werden, bei denen das Elektron in der äußersten Hülle des Atoms lose an den Kern gebunden ist und daher leicht erkannt werden kann und sich frei innerhalb des Materials bewegen kann, wenn ein Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, wird die Richtung entgegengesetzt zur Richtung des angelegten elektrischen Felds als Freecharge bezeichnet
Die Maxwell-Gleichungen sind begrenzt, da sie das Gaußsche Gesetz der Elektrostatik verwenden. Daher ist das elektrische Feld immer proportional zur statischen Ladungsdichte, ob frei oder gebunden. Wenn man eine dritte Form der Ladungsdichte (mobile Ladungsdichte) konzeptualisieren würde, würde das Ohmsche Gesetz implizit in eine allgemeinere Form der Maxwell-Gleichungen aufgenommen. Dies würde einige der konzeptionellen Probleme in der konventionellen Theorie einschränken. Ein gutes Papier, das diese Probleme mit der konventionellen Theorie beweist, finden Sie hier: https://chemrxiv.org/articles/Maxwell_s_Equations_versus_Newton_s_Third_Law/6297185
Andreas Steane