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感应电荷是什么 自由电荷是什么?

2020-07-27科学

自由电荷、感应电荷以及极化电荷,始终是电磁学、电动力学的学习者们绕不开的概念,倒不如把它们通通搬到台面上说清楚!本回答以及下面这个问题下的回答和评论区,正在做大胆的尝试!

首先抛出问题:

  1. 自由电荷、感应电荷和介质中的束缚电荷 (或者叫极化电荷)有什么区别与相似性?
  2. 导体在外场下的感应电荷,和接地导体 在外场下的自由电荷是什么关系?
  3. 如果跳出这个情景,更普遍地说,导体的感应电荷和自由电荷是什么关系?

针对第一个问题:

感应电荷(induced charge)和自由电荷(free charge)都是指可以在宏观范围(如整个导体表面)自由运动的电荷,命名不同是为了强调它们的产生方式不同。从导体感应出来的就叫感应电荷,至于导体本身就带有的净余电荷就叫自由电荷。而介质不同于导体,介质中无自由运动的电荷,置于外电场中的介质,会发生极化,也就是正负电荷被拉开一定的距离并保持,形成电偶极子,是受「束缚」的电荷,与导体有很大不同,因此叫做束缚电荷(bound charge)或者叫极化电荷(polarization charge)。

针对第二、三个问题:

我之前提问过: 外电场下,不带电的导体球的感应电荷面密度为何恰好等于接地导体球的自由电荷面密度? 在该问题下已经有了充分的讨论,下面梳理一些共识。

经过一番讨论,我们达成了一致的观点。回到题目中的接地导体的情形,严格计算出来的自由电荷密度和不接地导体的感应电荷密度是一样的,所以接地导体在外场下产生出的感应电荷跟自由电荷似乎是一样的。

@悟性无明 也认为,「它俩只是产生方式不同,性质上是相同的,感应电荷也是自由电荷的一种。感应电荷大约是指孤立导体里成对产生的正负电荷,而对于接地导体而言由于电荷量可变,改用了自由电荷这个词。」

@王俊凯 也说:「我倒是觉得二者没差别......而且具有相同的数学形式不是么。(我一般叫它们导体电荷)」

我认为这个叫法很独特,毕竟介质中的感应电荷取名叫「束缚电荷/极化电荷」,导体中的感应电荷也不妨取个特别的名字,不然初学者容易混淆。但是导体的感应电荷在接地情形,和自由电荷又似乎是同一个东西。可能在这个意义上说,也没必要给导体中的感应电荷再定义一个名称。如无必要,勿增实体 [1]

参考

  1. ^ 奥卡姆剃刀原理