Как возможен связанный заряд и свободный заряд?

Представьте себе каплю жидкой воды. Каждая молекула полярна, потому что электроны ближе к кислороду, чем водороды. Без сильного внешнего электрического поля вода движется, толкаясь туда-сюда, практически случайно ориентируясь.

Теперь, находясь на орбите, сделайте очень большой конденсатор с параллельными пластинами, зарядите его и поместите каплю воды между пластинами. Они по-прежнему двигаются и сталкиваются друг с другом, но теперь, если водородная сторона указывает в направлении электрического поля, становится труднее (с точки зрения энергии) изменить эту ориентацию. Со временем вода может начать приобретать предпочтительную чистую поляризацию. Насколько сильное может зависеть от температуры, а также от силы поля. Это ваша поляризация. Представьте, что вы смотрите на линию, проходящую через воду, и если бы поле было намного сильнее, чем вибрации, вызванные температурой, вы могли бы увидеть, как отдельные заряженные части каждой молекулы воды выстраиваются в линию, как

• +- +- +- +- +- +-

где каждый +- — это две заряженные стороны молекулы воды, поэтому они всегда всегда рядом друг с другом. И для тех, кто заботился только о чистом заряде, они могли бы посмотреть и увидеть, что это выглядит как

• +.....................-

Так что может показаться, что есть только поверхностный заряд. Но этот плюс на одном конце связан с отрицательной частью прямо рядом с ним, а тот отрицательный (на другой стороне поверхности) связан с положительной частью рядом с ним.

Теперь ни одна вода не является чистой, поэтому вы можете представить себе, что в воду кладут соль, и некоторые кристаллы NaCl действительно распадаются на ионы Na и Cl (даже в самой воде есть ионы, некоторые молекулы H2O распадаются на ионы H и OH). ), и эти ионы действительно имеют суммарный заряд каждый, и они могут двигаться. Это свободные заряды, во внешнем поле они могут перемещаться (как носители заряда для тока или выходя на поверхность), и эти положительные и отрицательные заряды действительно могут быть далеко друг от друга.

На связанные заряды влияет не только конденсатор с плоскими пластинами, на них влияет друг на друга и свободный заряд, но если вы не заботитесь о связанных зарядах, потому что вас интересуют только ионы и электроны, которые можно добавить или сняты с воды, то можно работать с полем водоизмещения$\vec{D}$который игнорирует связанный заряд. Затем вы получаете то, что отслеживает то, что вас волнует.

Примером может служить конденсатор с высокой диэлектрической проницаемостью. Если вас волнует только то, как он работает как конденсатор, и вас не волнует, где расположена каждая поляризованная молекула, то вы можете вычислить$\vec{D}$поле внутри точно так же, как для обычного конденсатора.

Диэлектрик не является проводником, поэтому через него не могут проходить электроны. Однако атомы или молекулы внутри могут поляризоваться, образуя электрический диполь, который может выравниваться для усиления или анти-выравнивания для уменьшения приложенного поля. Это связанный заряд.

В металле или в свободном пространстве электроны текут и в некотором смысле свободны. Они способны двигаться независимо от любого фиксированного атома.

Я предполагаю, что также будут (но не в любом случае, который я когда-либо делал) материалы, в которых существуют заряды, способные двигаться (свободные), и такие, которые слипаются, как атомы, которые нужно поляризовать (связать). Ваша книга может включать в свободное определение все, что не является поляризованным нейтральным атомом.

Редактирование в ответ на обновление вопроса загляните на страницу Википедии для curl: http://en.wikipedia.org/wiki/Curl_%28mathematics%29 . Если на какой-либо из картинок представить, что в каждой точке, где есть стрелка, находится атом с электрическим дипольным моментом по величине и направлению стрелки. Из этого вы можете видеть, как может быть завиток в поляризации.

Я бы написал это как комментарий к ответу Эдди, который очень точен, но для этого недостаточно смысла. В любом случае,

композитный материал, состоящий из тонких слоев диэлектрика, разделенных тонкими слоями проводника, может подойти для вашего случая. Или частицы проводника, образованные каким-либо диэлектрическим слоем.

В проводниках, таких как металлы, есть свободные электроны. Эти свободные электроны движутся случайным образом, так что результирующее электрическое поле внутри проводника равно нулю. Ток проходит, если мы не приложим внешнее электрическое поле к металлическим проводникам. Эти свободные электроны внутри проводника имеют свободный заряд, тогда как в случае диэлектриков свободных электронов нет, потому что электроны связаны молекулярными силами. При приложении электрического поля электроны смещаются, образуя диполи. Внешнее электрическое поле, приложенное к диэлектрическому материалу, вызывает смещение связанных заряженных элементов. Это элементы, которые связаны с молекулами и не могут свободно перемещаться по материалу. Применяя закон Гаусса, замкнем поверхность$S$объемлющий связанный заряд

где$P$— вектор поляризации диэлектрического материала.

Электробритва проводника и изолятора может быть понята на основе свободных и связанных зарядов в металлическом проводнике, электрон в самой внешней оболочке атома слабо связан с ядром и, следовательно, может легко обнаруживаться и свободно перемещаться внутри материала, когда приложено внешнее электрическое поле, то направление, противоположное направлению приложенного электрического поля, этот заряд называется свободным зарядом.

Уравнения Максвелла ограничены, потому что они используют закон электростатики Гаусса. Следовательно, электрическое поле всегда пропорционально плотности статического заряда, свободного или связанного. Если бы кто-то концептуализировал третью форму плотности заряда (плотность подвижного заряда), то закон Ома был бы неявно включен в более обобщенную форму уравнений Максвелла. Это ограничило бы некоторые концептуальные вопросы в традиционной теории. Хорошую статью, доказывающую эти проблемы с помощью традиционной теории, можно найти здесь: https://chemrxiv.org/articles/Maxwell_s_Equations_versus_Newton_s_Third_Law/6297185