§27 Релаксация зарядов в среде

Частный случай этого процесса — изменение зарядов на поверхности обкладок конденсатора, был рассмотрен в предыдущем параграфе. Оказывается, что процесс медленного изменения плотности объемных зарядов ρ(r→,t) в однородной среде, обладающей, кроме диэлектрической проницаемости, еще и некоторой проводимостью, также легко решается в общем виде. Для этого из последних двух уравнений системы

∂ρ ∂t + divj→ = 0,j→ = σE→,ɛdivE→ = 4πρ

значение divj→ выразим через плотность зарядов и подставим в первое; в результате для ρ(r→,t) получим уравнение

∂ρ ∂t + 4πσ ɛ ρ = 0.

Общее решение этого уравнения имеет вид

ρ(r→,t) = ρ0(r→)e−t∕τ,τ = ɛ∕4πσ,

где произвольная функция ρ0(r→) = ρ(r→,0) имеет смысл начального распределения плотности зарядов, Замечаем, что время релаксации τ, обратно пропорциональное проводимости среды, совпадает с результатом (3.32), полученным для разряда конденсатора, и что характер распределения плотности зарядов по пространству не зависит от времени.

Интересно посмотреть на характерные значения τ. Для лучших изоляторов это время исчисляется сутками. Для обыкновенного стекла при нормальной температуре τ ∼ 10 с , для воздуха при обычных условиях τ ∼ 15 мин, а вот для металлов это время чрезвычайно мало и для них условие "медленности"процесса релаксации не выполняется. Например, для меди σ ≈ 5 ⋅ 1017 1/с, τ ≈ (1∕2π)10−18 с, т. е. τ ≪ τs ( τs ≈ 4 ⋅ 10−14 с) и действительно полученный результат для времени релаксации к металлам не применим, т.к. условие (3.14) применимости закона Ома здесь не выполняется.