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感應電荷是什麽 自由電荷是什麽?

2020-07-27科學

自由電荷、感應電荷以及極化電荷,始終是電磁學、電動力學的學習者們繞不開的概念,倒不如把它們通通搬到台面上說清楚!本回答以及下面這個問題下的回答和評論區,正在做大膽的嘗試!

首先丟擲問題:

  1. 自由電荷、感應電荷和介質中的束縛電荷 (或者叫極化電荷)有什麽區別與相似性?
  2. 導體在外場下的感應電荷,和接地導體 在外場下的自由電荷是什麽關系?
  3. 如果跳出這個情景,更普遍地說,導體的感應電荷和自由電荷是什麽關系?

針對第一個問題:

感應電荷(induced charge)和自由電荷(free charge)都是指可以在宏觀範圍(如整個導體表面)自由運動的電荷,命名不同是為了強調它們的產生方式不同。從導體感應出來的就叫感應電荷,至於導體本身就帶有的凈余電荷就叫自由電荷。而介質不同於導體,介質中無自由運動的電荷,置於外電場中的介質,會發生極化,也就是正負電荷被拉開一定的距離並保持,形成電偶極子,是受「束縛」的電荷,與導體有很大不同,因此叫做束縛電荷(bound charge)或者叫極化電荷(polarization charge)。

針對第二、三個問題:

我之前提問過: 外電場下,不帶電的導體球的感應電荷面密度為何恰好等於接地導體球的自由電荷面密度? 在該問題下已經有了充分的討論,下面梳理一些共識。

經過一番討論,我們達成了一致的觀點。回到題目中的接地導體的情形,嚴格計算出來的自由電荷密度和不接地導體的感應電荷密度是一樣的,所以接地導體在外場下產生出的感應電荷跟自由電荷似乎是一樣的。

@悟性無明 也認為,「它倆只是產生方式不同,性質上是相同的,感應電荷也是自由電荷的一種。感應電荷大約是指孤立導體裏成對產生的正負電荷,而對於接地導體而言由於電荷量可變,改用了自由電荷這個詞。」

@王俊凱 也說:「我倒是覺得二者沒差別......而且具有相同的數學形式不是麽。(我一般叫它們導體電荷)」

我認為這個叫法很獨特,畢竟介質中的感應電荷取名叫「束縛電荷/極化電荷」,導體中的感應電荷也不妨取個特別的名字,不然初學者容易混淆。但是導體的感應電荷在接地情形,和自由電荷又似乎是同一個東西。可能在這個意義上說,也沒必要給導體中的感應電荷再定義一個名稱。如無必要,勿增實體 [1]

參考

  1. ^ 奧卡姆剃刀原理