Estoy estudiando Introducción a la electrodinámica de Griffiths y encontré un concepto que parece que no puedo entender correctamente. El concepto de carga gratuita Y carga ligada. No entiendo cómo podemos tener ambos. Entiendo que el límite se crea por la presencia de un campo E y un dieléctrico. Entonces, ¿de dónde viene la carga gratuita si estamos dentro de un dieléctrico? Aquí hay una cita del libro que habla de eso.
Insecto. 4.2 encontramos que el efecto de la polarización es producir acumulaciones de carga ligada, dentro del dieléctrico y en la superficie. El campo debido a la polarización del medio es solo el campo de esta carga ligada. Ahora estamos listos para ponerlo todo junto: el campo atribuible a la carga ligada más el campo debido a todo lo demás (que, a falta de un término mejor, llamamos carga libre ). La carga libre puede consistir en electrones en un conductor o iones incrustados en el material dieléctrico o lo que sea; cualquier carga, es decir, que no sea resultado de la polarización.
Imagina una gota de agua líquida. Cada molécula es polar porque los electrones están más cerca del oxígeno que de los hidrógenos. Sin un gran campo eléctrico externo, el agua se mueve dando tumbos de un lado a otro con orientaciones básicamente aleatorias.
Ahora, mientras está en órbita, haga un capacitor de placas paralelas muy grande, cárguelo y coloque su gota de agua entre las placas. Todavía se mueven y chocan entre sí, pero ahora, si el lado del hidrógeno apunta en la dirección del campo eléctrico, se vuelve más difícil (en términos de energía) cambiar esa orientación. Con el tiempo, el agua puede comenzar a desarrollar una polarización neta preferida. La intensidad puede depender de la temperatura y de la intensidad del campo. Esta es su polarización. En tu mente, imagina mirar una línea a través del agua y si el campo fuera mucho más fuerte que las vibraciones inducidas por la temperatura, podrías ver las partes cargadas individuales de cada molécula de agua alineadas como
donde cada +- son los dos lados cargados de una molécula de agua, por lo que siempre están uno al lado del otro. Y para alguien que solo se preocupa por la carga neta, podría mirar y ver que parece
Entonces podría parecer que solo hay algo de carga superficial. Pero ese positivo en un extremo está ligado a la parte negativa justo al lado y ese negativo (en el otro lado de la superficie) está ligado a la parte positiva justo al lado.
Ahora, el agua no es pura, así que puedes imaginarte poner sal en el agua y algunos de los cristales de NaCl realmente se rompen en iones de Na y Cl (incluso el agua misma tiene iones, algunas de las moléculas de H2O se rompen en iones de H y OH ) y esos iones realmente tienen una carga neta cada uno y pueden moverse. Esas son las cargas libres, en un campo externo pueden moverse (como portadores de carga para una corriente, o yendo a la superficie) y estas cargas positivas y negativas realmente pueden estar muy lejos unas de otras.
Las cargas unidas no solo se ven afectadas por el capacitor de placas paralelas, sino que se ven afectadas entre sí y por la carga libre, pero si no le importaran las cargas unidas porque solo le importan los iones y electrones que se pueden agregar o sacado del agua, entonces puedes trabajar con el campo de desplazamiento que ignora la carga ligada. Entonces obtienes algo que rastrea lo que te importa.
Un ejemplo es un capacitor de alto dieléctrico. Si lo único que le importa es cómo funciona como capacitor, y no le importa dónde se encuentra cada molécula polarizada, entonces puede calcular la campo interior al igual que para un condensador normal.
Un dieléctrico no es un conductor, por lo que no hay electrones que puedan fluir a través de él. Sin embargo, los átomos o moléculas dentro pueden polarizarse creando un dipolo eléctrico, que puede alinearse para mejorar o antialinearse para reducir el campo aplicado. Este es un cargo vinculado.
En un metal o en el espacio libre los electrones fluyen y son, en cierto sentido, libres. Son capaces de moverse independientemente de cualquier átomo fijo.
Supongo que también habrá (pero no en ningún curso que haya hecho) materiales en los que existan cargas que puedan moverse (libres) y aquellas que estén pegadas como átomos para ser polarizados (unidos). Su libro puede incluir en la definición libre cualquier cosa que no sea un átomo neutro polarizado.
Editando en respuesta a una actualización de la pregunta, consulte la página de Wikipedia para curl: http://en.wikipedia.org/wiki/Curl_%28mathematics%29 . Si en alguna de las imágenes imaginas que en cada punto donde hay una flecha, hay un átomo con momento dipolar eléctrico en la magnitud y dirección de la flecha. A partir de esto, puede ver cómo puede haber un rizo en la polarización.
Escribiría esto como un comentario a la respuesta de Eddy, que es muy precisa, pero no tiene suficiente sentido para hacerlo. De todos modos,
un material compuesto hecho de capas delgadas de dieléctrico separadas por capas delgadas de conductor podría encajar en su caso. O también podrían ser partículas de conductor desarrolladas por alguna capa dieléctrica.
En conductores como los metales hay electrones libres disponibles. Estos electrones libres tienen un movimiento aleatorio, de modo que el campo eléctrico neto dentro de un conductor es cero. La corriente pasa a menos que apliquemos un campo eléctrico externo a los conductores metálicos. Estos electrones libres dentro del conductor son de carga libre, mientras que en el caso de los dieléctricos no hay electrones libres, porque los electrones están ligados por fuerzas moleculares. Mediante la aplicación de un campo eléctrico los electrones se desplazan formando dipolos. Un campo eléctrico externo que se aplica a un material dieléctrico provoca un desplazamiento de los elementos cargados unidos. Estos son elementos que están unidos a moléculas y no son libres de moverse alrededor del material. Aplicando la Ley de Gauss encerremos una superficie carga encuadernada envolvente
dónde es el vector de polarización del material dieléctrico.
La máquina de afeitar eléctrica de un conductor y un aislador se puede entender sobre la base de cargas libres y unidas en un conductor metálico. El electrón en la capa más externa del átomo está débilmente unido al núcleo y, por lo tanto, puede detectarse fácilmente y moverse libremente dentro del material cuando un se aplica un campo eléctrico externo, entonces la dirección opuesta a la dirección del campo eléctrico aplicado, esta carga se denomina carga libre
Las ecuaciones de Maxwell están limitadas porque utilizan la ley electrostática de Gauss. Por lo tanto, el campo eléctrico siempre es proporcional a la densidad de carga estática, ya sea libre o ligada. Si uno tuviera que conceptualizar una tercera forma de densidad de carga (densidad de carga móvil), entonces la ley de Ohm se incorporaría implícitamente en una forma más generalizada de las ecuaciones de Maxwell. Esto limitaría algunas de las cuestiones conceptuales de la teoría convencional. Puede encontrar un buen artículo que demuestra estos problemas con la teoría convencional aquí: https://chemrxiv.org/articles/Maxwell_s_Equations_versus_Newton_s_Third_Law/6297185
Andrés Steane