自由電荷

自由電荷是一種等效概念，通常指存在於物質內部，在外電場作用下能作定向運動的電荷。如金屬中的自由電子，電解質溶液中的正、負離子，稀薄氣體中的電子和離子等。

自由電荷的特點是物體內部對它們的束縛比較弱，可以在物體內部自由移動；同時，自由電荷並非真實存在，而只是用來描述自由電子移動的一種模型。

物體內部的自由電荷的多少決定了物體導電性能的強弱；

物體內部自由電荷的種類可以不同，既可以是負電荷（如電子、電解溶液中的氯離子等），也可以是正電荷（如溶液中的氫離子）。

在處理實際問題時，常常根據需要將不同的帶電微粒等效為某種電荷，比如將導線中的自由電子等效為等量反向移動的自由電荷。

實物的一種屬性。它的最簡單和直觀的表現是對輕小物體(例如羽毛、頭髮屑)的吸引，物體具有了這種吸引輕小物體的性質，就說其有了電荷，或者說帶了電。電這個名詞來自希臘字“elektron”，其意思是琥珀。早在公元前600年就有關於摩擦起電的記載，1600年英國物理學家W·吉伯發現不僅琥珀摩擦后能吸引輕小物體，許多其它物質，如金剛石、藍寶石、硫磺、硬樹脂和明礬等摩擦后也都具有吸引輕小物體的性質。他注意到這些物質經摩擦后並不具備磁石那種指南北的性質。電荷具有如下三個基本性質：①自然界存在兩種電荷——正電荷和負電荷;②電荷守恆;③電荷的量子化。大量實驗表明，物體或基本粒子可帶正電或負電，但它們的電量均等於電子所帶電量或其整數倍。同種電荷之間相斥、異種電荷之間相吸。當等量異號電荷分佈的重心重合時，對其外部的電效應相互抵消而顯中性，被認為是不帶電的。電荷周圍存在電場，運動電荷周圍同時存在磁場;電場中的電荷受到電場力的作用，磁場中的運動電荷受到磁場力的作用。

在外電場作用下，電介質表面或內部出現電荷的現象。按電介質的結構，可分為兩類。第一類原是沒有偶極矩的非極性分子，在外電場作用下，構成分子的正負電荷(如電子和原子核)發生相對移動，形成電偶極子，具有一定的偶極矩，其方向沿著外電場的方向，所以在電介質兩表面上，分別出現正負束縛電荷。外電場愈強，分子的偶極矩愈大，束縛電荷也愈多，即極化程度愈高，這就是誘導極化作用。通常用單位體積內各分子偶極矩的矢量和，作為極化程度的量度。第二類原是已有一定偶極矩的極性分子，由於分子的熱運動，偶極矩的方向混亂。在外電場的作用下，偶極矩有沿外電場轉動的傾向，但在分子熱運動的影響下並不是所有分子的偶極矩都沿電場方向整齊排列;外電場愈強，分子排列愈整齊，這就是定向極化作用。此時在電介質兩表面上也出現了正負束縛電荷。這種極化過程，在液態電介質中比在固態電介質中更為顯著，因為在液體中分子比較易於轉動。②亦稱“極化作用”。當電流通過原電池或電解池時，電極-電解質界面上的雙電層平衡受到破壞，使電極的電位值與平衡的電極電位發生偏離(兩者的差值即超電壓)的現象。極化程度與通過原電池或電解池的電流強度有關，當無電流通過時，超電壓為零，電極電位值與平衡電極電位值相等。主要有兩類，即電化學極化與濃差極化。產生極化的原因來自電極過程的動力學，因為電極過程是電極表面上存在雙電層和表面電場的多相氧化-還原反應，當其中任何一個步驟成為控制步驟時都可使電極電位明顯偏離平衡的電極電位。

在外電場作用下，電介質顯示電性的現象。一般情形下，電介質宏觀上並不顯示出電性。在外電場作用下，束縛電荷的局部移動導致其宏觀上顯示出電性，在電介質表面和內部不均勻的地方出現宏觀電荷，這種現象稱為極化。這種由於極化而出現的宏觀電荷叫做極化電荷(也稱為束縛電荷)。體元△ι內的極化電荷除以△ι就是該點的極化電荷體密度。類似地，在極化了的電介質表面存在極化電荷面密度。為明確起見，把不是由於極化而引起的宏觀電荷叫做自由電荷。按極化的微觀機制，可分為：無極分子的位移極化和有極分子的取向極化。位移極化還有兩種情況，一是如H2、N2等氣體分子，由於電子質量比原子核質量小得多。在電場力的作用下，電子重心沿著場強的反方向移動了一段位移。每一分子形成一小的電偶極子，電偶極子的電偶極矩p∝E，並沿外電場方向排列起來。這種無極分子的極化常稱為電子位移極化。另一類是由正、負離子組成的電介質在外電場中正、負離子沿場強正、反方向移動了一段位移，形成電偶極子，電偶極子的電偶極矩p∝E，這種極化稱為離子極化。均勻介質的位移極化的結果是在表面出現極化面電荷。有極分子電介質，每一分子都有一電矩p，但在無外場上時，由於熱運動宏觀不顯電性。在外電場作用下，每一分子電矩p都受到一力矩作用，使分子電矩向E方向轉向，但由於熱運動，這種取向並不完全，即所有分子偶極子不是很整齊地順外電場方向排列。

當然，E越強，取向也就越整齊。這種極化機制稱為取向極化。均勻介質的取向極化的結果也是在表面出現極化面電荷。位移極化在任何電介質極化時都存在，而取向極化只對有極分子存在。但在有極分子構成的電介質中，取向極化比位移極化約大一個數量級，因而取向極化是主要的。在很高頻率的電場中，由於分子的慣性較大，取向極化跟不上外電場的變化，而電子的慣性小，所以這時，無論哪種電介質，只剩下電子位移極化機制起作用。

存在於物質內部，在通常的外電場作用下僅能作微小相對位移的正負電荷。例如，電介質在外電場中發生極化時，在其表面或內部出現的兩種等量異號的極化電荷就是束縛電荷。 

電介質分子中由於分子內在力的約束而不能發生宏觀位移的帶電粒子。在外電場作用下，這些被約束的帶電粒子可以做微觀的移動，極化電荷是電介質中束縛電荷微小位移造成的宏觀效果。極化電荷也稱為束縛電荷。