Плотность заряда

У этого термина существуют и другие значения, см. Плотность (значения).

Пло́тность заря́да — количество электрического заряда, приходящееся на единицу длины, площади или объёма. Таким образом определяются линейная, поверхностная и объёмная плотности заряда, которые в системе СИ измеряются в кулонах на метр (Кл/м), в кулонах на квадратный метр (Кл/м²) и в кулонах на кубический метр (Кл/м³), соответственно. В отличие от плотности вещества, плотность заряда может принимать не только положительные, но и отрицательные значения, поскольку существуют заряды обоих знаков.

Плотность заряда (линейная, поверхностная, объемная)
${\displaystyle {\frac {dq}{dl}},{\frac {dq}{dS}},{\frac {dq}{dV}}}$
Размерность	L−1TI, L−2TI, L−3TI
Единицы измерения
СИ	Кл/м, Кл/м2, Кл/м3
Примечания
скалярная величина

Плотность заряда в классической физике

Линейная, поверхностная и объёмная плотности электрического заряда обычно задаются функциями ${\displaystyle \lambda ({\vec {r}})}$, ${\displaystyle \sigma ({\vec {r}})}$ и ${\displaystyle \rho ({\vec {r}})}$, соответственно, где ${\displaystyle {\vec {r}}}$ — радиус-вектор. Зная эти функции, можно определить полный заряд:

${\displaystyle Q=\int \limits _{L}\lambda ({\vec {r}})\operatorname {d} l}$,

${\displaystyle Q=\int \limits _{S}\sigma ({\vec {r}})\operatorname {d} S}$,

${\displaystyle Q=\int \limits _{V}\rho ({\vec {r}})\operatorname {d} V}$.

Плотность заряда в квантовой механике

В квантовой механике плотность заряда, например электрона в атоме, связана с волновой функцией ${\displaystyle \psi ({\vec {r}})}$ через соотношение

${\displaystyle \rho ({\vec {r}})=q|\psi ({\vec {r}})|^{2}}$,

где ${\displaystyle q}$ — заряд электрона. При этом волновая функция должна иметь нормировку:

${\displaystyle \int |\psi ({\vec {r}})|^{2}\operatorname {d} V=1}$.

Определение плотности заряда через δ-функцию

Иногда требуется записать объёмную плотность заряда для системы из точечных зарядов ${\displaystyle q_{a}}$ (${\displaystyle a=1,2,\ldots }$). Это может быть сделано с использованием δ-функции:

${\displaystyle \rho ({\vec {r}})=\sum _{a}q_{a}\delta ({\vec {r}}-{\vec {r}}_{a})}$,

где сумма берётся по всем имеющимся зарядам, а ${\displaystyle {\vec {r}}_{a}}$ — радиус-вектор заряда ${\displaystyle q_{a}}$.^[1] Полный заряд, находящийся во всём пространстве, равен интегралу ${\displaystyle \int \rho dV}$ по всему пространству. Можно написать этот интеграл в четырёхмерном виде:

${\displaystyle Q=\int \rho dV={\frac {1}{c}}\int j^{0}dV={\frac {1}{c}}\int j^{i}ds_{i}}$,

где интегрирование производится по всей четырёхмерной гиперплоскости, перпендикулярной к оси x⁰ (очевидно, что это и означает интегрирование по всему трёхмерному пространству). ${\displaystyle j^{i}}$ — 4-вектор плотности тока.

Плотность заряда в формулах электродинамики

Объёмная плотность заряда в явном виде фигурирует в одном из уравнений Максвелла: (${\displaystyle \operatorname {div} {\vec {D}}=\rho }$). Кроме того, она входит в уравнение непрерывности ${\displaystyle \operatorname {div} {\vec {j}}+{\frac {\partial \rho }{\partial t}}=0}$.

Поверхностная плотность заряда входит в граничные условия для нормальных компонент электрической индукции на стыке двух сред: ${\displaystyle D_{2n}-D_{1n}=\sigma }$.

Плотность заряда в любом варианте (объёмная, поверхностная, линейная) может использоваться при вычислении напряжённости электрического поля или потенциала путём интегрирования закона Кулона

${\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}})={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\int {\frac {({\vec {r}}-{\vec {\hat {r}}})\,dQ({\vec {\hat {r}}})}{|{\vec {r}}-{\vec {\hat {r}}}|^{3}}},\qquad \varphi ({\vec {r}})={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\int {\frac {dQ({\vec {\hat {r}}})}{|{\vec {r}}-{\vec {\hat {r}}}|}}}$,

где элемент заряда ${\displaystyle dQ}$ записывается как ${\displaystyle \rho dV}$, ${\displaystyle \sigma dS}$ или ${\displaystyle \lambda dl}$ в зависимости от конкретной задачи.

См. также

• Плотность тока