Densidade de carga

A densidade de carga linear, superficial ou volumétrica é uma quantidade de carga elétrica em uma linha, superfície ou volume respectivamente. Ela é medida em coulombs por metro (C/m), metro quadrado (C/m²), ou metro cúbico (C/m³), respectivamente. Como existem cargas positivas e negativas, a densidade pode tomar também valores negativos. Assim como qualquer densidade, ela depende da sua posição. Ela não deve ser confundido densidade de portadores de carga. Como relatado na química, a densidade de carga pode se referir a distribuição sobre o volume de uma partícula, átomo ou molécula. Assim, um cátion de lítio possui mais densidade de carga do que um cátion de sódio, pois o sódio possui raio atômico maior.

Densidade de carga clássica

Carga contínua

A integral da densidade de carga $\alpha _{q}(\mathbf {r} )$, $\sigma _{q}(\mathbf {r} )$, $\rho _{q}(\mathbf {r} )$ sobre a linha $l$, superfície $S$, ou volume $V$, é igual a carga total $Q$ desta região, definida como:

$Q=\int \limits _{L}\alpha _{q}(\mathbf {r} )\,\mathrm {d} l$,

$Q=\int \limits _{S}\sigma _{q}(\mathbf {r} )\,\mathrm {d} S$,

$Q=\int \limits _{V}\rho _{q}(\mathbf {r} )\,\mathrm {d} V.$

Esta relação define densidade de carga matematicamente. Note que alguns símbolos utilizados para denotar várias dimensões podem variar dependendo do campo de estudo. Comumente a notação utilizada é $\lambda$, $\sigma$, $\rho$; or $\rho _{l}$, $\rho _{s}$, $\rho _{v}$ para (C/m), (C/m²), (C/m³) respectivamente.

Densidade de carga homogênea

Para o caso de uma densidade de carga homogênea, que é independente da posição, é igual a $\rho _{q,0}$, a equação simplifica-se a:

$Q=V\cdot \rho _{q,0}$

A prova é simples. Comece com a definição de carga de um volume qualquer:

$Q=\int \limits _{V}\rho _{q}(\mathbf {r} )\,\mathrm {d} V$

Então, pela definição de homogeneidade, $\rho _{q}(\mathbf {r} )$ é uma constante que será denotaremos $\rho _{q,0}$ para diferenciar entre a forma constante e não constante, e então, pela propriedade da integral, ela pode ser levada para fora da integração, resultando em:

$Q=\rho _{q,0}\int \limits _{V}\,\mathrm {d} V$

Novamente, pelas propriedades das integrais:

$\int \limits _{V}\,\mathrm {d} V$ = $V$

Entretanto, pela substituição:

$\rho _{q,0}\int \limits _{V}\,\mathrm {d} V$ = $V\cdot \rho _{q,0}$

Que resulta em:

$Q=V\cdot \rho _{q,0}$

Que é precisamente o resultado mencionado acima para a densidade volumétrica de carga. As provas para a densidade linear e superficial são equivalentes e seguem os mesmos argumentos

Cargas discretas

Se a carga em uma região consiste de $N$ portadores de cargas pontuais, tal como elétrons, a densidade de carga pode ser expressa pela função delta de Dirac. Por exemplo, a densidade volumétrica de carga é:

$\rho _{q}(\mathbf {r} )=\sum _{i=1}^{N}q_{i}\cdot \delta (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{i}).$

Aqui, $q_{i}$ é a carga e $\mathbf {r} _{i}$ a posição do i-ésimo portador de carga. Se todos portadores de carga possuírem a mesma carga, então a densidade de carga pode ser expressa em função da densidade de portadores de cargas $n(\mathbf {r} )$:

$\rho _{q}(\mathbf {r} )=q\cdot \sum _{i=1}^{N}\delta (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{i})=q\cdot n(\mathbf {r} )$

Novamente, as equações equivalentes para densidade de carga linear e superficial seguem diretamente das relações acima.

Densidade de carga quântica

Em mecânica quântica, densidade de carga é relacionado a função de onda $\psi (\mathbf {r} )$ pela equação

$\rho _{q}(\mathbf {r} )=q\cdot |\psi (\mathbf {r} )|^{2}$

quando a função de onda é normalizado como

$Q=q\cdot \int |\psi (\mathbf {r} )|^{2}\,d\mathbf {r}$

Aplicação

A densidade de carga aparece na equação de continuidade que segue das Equações de Maxwell no eletromagnetismo.