[科普中国]-自由电荷

概念

自由电荷包括自由阳离子（正电荷），自由阴离子（负电荷）和自由电子。如金属中的自由电子，电解质溶液中的正、负离子，稀薄气体中的电子和离子等。1

自由电荷的特点是物体内部对它们的束缚比较弱，可以在物体内部自由移动；同时，自由电荷并非真实存在，而只是用来描述自由电子移动的一种模型。

物体内部的自由电荷的多少决定了物体导电性能的强弱；

物体内部自由电荷的种类可以不同，既可以是负电荷（如电子、电解溶液中的氯离子等），也可以是正电荷（如溶液中的氢离子）。

在处理实际问题时，常常根据需要将不同的带电微粒等效为某种电荷，比如将导线中的自由电子等效为等量反向移动的自由正电荷。

电荷实物的一种属性。它的最简单和直观的表现是对轻小物体(例如羽毛、头发屑)的吸引，物体具有了这种吸引轻小物体的性质，就说其有了电荷，或者说带了电。电这个名词来自希腊字“elektron”，其意思是琥珀。早在公元前600年就有关于摩擦起电的记载，1600年英国物理学家W·吉伯发现不仅琥珀摩擦后能吸引轻小物体，许多其它物质，如金刚石、蓝宝石、硫磺、硬树脂和明矾等摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质。他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。电荷具有如下三个基本性质：①自然界存在两种电荷——正电荷和负电荷;②电荷守恒;③电荷的量子化。大量实验表明，物体或基本粒子可带正电或负电，但它们的电量均等于电子所带电量或其整数倍。同种电荷之间相斥、异种电荷之间相吸。当等量异号电荷分布的重心重合时，对其外部的电效应相互抵消而显中性，被认为是不带电的。电荷周围存在电场，运动电荷周围同时存在磁场;电场中的电荷受到电场力的作用，磁场中的运动电荷受到磁场力的作用。

极化①在外电场作 用下，电介质表面或内部出现电荷的现象。 按电介质的结构，可分为两类。第一类原是没有偶极矩的非极性分子，在外电场作用下，构成分子的正负电荷(如电子和原子 核)发生相对移动，形成电偶极子，具有一 定的偶极矩，其方向沿着外电场的方向，所 以在电介质两表面上，分别出现正负束缚电荷。外电场愈强，分子的偶极矩愈大，束缚电荷也愈多，即极化程度愈高，这就是诱导极化作用。通常用单位体积内各分子偶 极矩的矢量和，作为极化程度的量度。第二类原是已有一定偶极矩的极性分子，由 于分子的热运动，偶极矩的方向混乱。在 外电场的作用下，偶极矩有沿外电场转动 的倾向，但在分子热运动的影响下并不是所有分子的偶极矩都沿电场方向整齐排 列;外电场愈强，分子排列愈整齐，这就是 定向极化作用。此时在电介质两表面上也 出现了正负束缚电荷。这种极化过程，在液 态电介质中比在固态电介质中更为显著， 因为在液体中分子比较易于转动。②亦称 “极化作用”。当电流通过原电池或电解池 时，电极-电解质界面上的双电层平衡受 到破坏，使电极的电位值与平衡的电极电 位发生偏离(两者的差值即超电压)的现 象。极化程度与通过原电池或电解池的电 流强度有关，当无电流通过时，超电压为零， 电极电位值与平衡电极电位值相等。主要有两类，即电化学极化与浓差极化。产生 极化的原因来自电极过程的动力学，因为 电极过程是电极表面上存在双电层和表面电场的多相氧化-还原反应，当其中任何一 个步骤成为控制步骤时都可使电极电位明显偏离平衡的电极电位。2

电介质的极化在外电场作用下，电介质显示电性的现象。一般情形下，电介质宏观上并不显示出电性。在外电场作用下，束缚电荷的局部移动导致其宏观上显示出电性，在电介质表面和内部不均匀的地方出现宏观电荷，这种现象称为极化。这种由于极化而出现的宏观电荷叫做极化电荷(也称为束缚电荷)。体元△ι内的极化电荷除以△ι就是该点的极化电荷体密度。类似地，在极化了的电介质表面存在极化电荷面密度。为明确起见，把不是由于极化而引起的宏观电荷叫做自由电荷。例如电介质由于摩擦或与带电体接触而呈现的宏观电荷以及导体由于失去或得到自由电子而呈现的宏观电荷都属于自由电荷。按极化的微观机制，可分为：无极分子的位移极化和有极分子的取向极化。位移极化还有两种情况，一是 如H2、N2等气体分子，由于电子质量比原子核质量小得多。在电场力的作用下，电子重心沿场强的反方向移动了一段位移。每一分子形成一小的电偶极子，电偶极子的电偶极矩p∝E，并沿外电场方向排列起来。这种无极分子的极化常称为电子位移极化。另一类是由正、负离子组成的电介质在外电场中正、负离子沿场强正、反方向移动了一段位移，形成电偶极子，电偶极子的电偶极矩p∝E，其结果也如图1，这种极化称为离子极化。均匀介质的位移极化的结果是在表面出现极化面电荷。有极分子电介质，每一分子都有一电矩p，但在无外场上时，由于热运动宏观不显电性。在外电场作用下，每一分子电矩p都受到一力矩作用，使分子电矩向E方向转向，但由于热运动，这种取向并不完全，即所有分子偶极子不是很整齐地顺外电场方向排列。

当然，E越强，取向也就越整齐。这种极化机制称为取向极化。均匀介质的取向极化的结果也是在表面出现极化面电荷。位移极化在任何电介质极化时都存在，而取向极化只对有极分子存在。但在有极分子构成的电介质中，取向极化比位移极化约大一个数量级，因而取向极化是主要的。在很高频率的电场中，由于分子的惯性较大，取向极化跟不上外电场的变化，而电子的惯性小，所以这时，无论哪种电介质，只剩下电子位移极化机制起作用。

束缚电荷存在于物质内部，在通常的外电场作用下仅能作微小相对位移的正负电荷。例如，电介质在外电场中发生极化时，在其表面或内部出现的两种等量异号的极化电荷就是束缚电荷。3

电介质分子中由于分子内在力的约束而不能发生宏观位移的带电粒子。在外电场作用下，这些被约束的带电粒子可以做微观的移动，极化电荷是电介质中束缚电荷微小位移造成的宏观效果。极化电荷也称为束缚电荷。