ประจุบนพื้นผิวคือประจุไฟฟ้าที่ปรากฏอยู่บนพื้นผิวสองมิติ ประจุไฟฟ้าเหล่านี้ถูกจำกัดอยู่บนพื้นผิวสองมิตินี้ และความหนาแน่นของประจุบนพื้นผิวซึ่งวัดเป็นคูลอมบ์ต่อตารางเมตร (C•m ⁻² ) ใช้เพื่ออธิบายการกระจายตัวของประจุบนพื้นผิวศักย์ไฟฟ้ามีความต่อเนื่องตลอดประจุบนพื้นผิว และสนามไฟฟ้าไม่ต่อเนื่องแต่ไม่เป็นอนันต์ เว้นแต่ว่าประจุบนพื้นผิวประกอบด้วย ชั้น ไดโพลในทางตรงกันข้าม ศักย์ไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าจะล diverge ที่ประจุจุดหรือประจุเชิงเส้น ใดๆ

ในทางฟิสิกส์ ณ สภาวะสมดุล ตัวนำในอุดมคติจะไม่มีประจุอยู่ภายใน แต่ประจุทั้งหมดของตัวนำจะอยู่บนพื้นผิว อย่างไรก็ตาม นี่ใช้ได้เฉพาะกับกรณีในอุดมคติของการนำไฟฟ้า ที่ไม่มีที่สิ้นสุดเท่านั้น ประจุส่วนใหญ่ของตัวนำจริงจะอยู่ภายในความลึกของผิวตัวนำ สำหรับ วัสดุได อิเล็กทริกเมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้าภายนอก^{[ 1 ]}ประจุบวกและประจุลบในวัสดุจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามเล็กน้อย ส่งผลให้เกิดความหนาแน่นของโพลาไรเซชันในเนื้อวัสดุและประจุที่ถูกผูกไว้ที่พื้นผิว

ในวิชาเคมีมีกระบวนการต่างๆ มากมายที่สามารถทำให้พื้นผิวมีประจุได้ รวมถึงการดูดซับไอออนการโปรตอนหรือการดีโปรตอนและดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น การใช้สนามไฟฟ้าภายนอก ประจุบนพื้นผิวจะปล่อยสนามไฟฟ้าออกมา ซึ่งทำให้เกิดการผลักและการดึงดูดของอนุภาค ส่งผลต่อคุณสมบัติของคอลลอยด์ หลายประการ ^{[ 2 ]}

ประจุบนพื้นผิวมักปรากฏบนพื้นผิวของอนุภาค เสมอ เมื่อวางอนุภาคลงในของเหลวของเหลวส่วนใหญ่ประกอบด้วยไอออนทั้งไอออนบวก ( แคตไอออน ) และไอออนลบ ( แอนไอออน ) ไอออนเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับพื้นผิวของวัตถุ ปฏิกิริยานี้อาจนำไปสู่การดูดซับไอออนบางส่วนลงบนพื้นผิว หากจำนวนแคตไอออนที่ถูกดูดซับมีมากกว่าจำนวนแอนไอออนที่ถูกดูดซับ พื้นผิวจะมีประจุไฟฟ้าสุทธิเป็นบวก

การแตกตัวของหมู่เคมี บนพื้นผิว เป็นอีกกลไกหนึ่งที่อาจนำไปสู่การเกิดประจุบนพื้นผิวได้

ความหนาแน่นประจุบนพื้นผิว หมายถึง ปริมาณประจุไฟฟ้า q ที่มีอยู่บนพื้นผิวที่มีพื้นที่A ที่กำหนด : $${\displaystyle \sigma ={\frac {q}{A}}}$$

ตามกฎของเกาส์ตัวนำที่อยู่ในสภาวะสมดุลซึ่งมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะไม่มีประจุอยู่ภายใน แต่ประจุทั้งหมดของตัวนำจะอยู่บนพื้นผิว และสามารถแสดงได้ด้วยสมการ: โดยที่ E คือสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุบนตัวนำ และ ε คือค่าสภาพยอมของสุญญากาศ สมการนี้มีความแม่นยำอย่างแท้จริงเฉพาะกับตัวนำที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่มากเท่านั้น แต่จะให้ค่าประมาณที่ดีหากวัด E ที่ระยะยูคลิดที่เล็กมากจากพื้นผิวของตัวนำ^{[ 3 ]}$${\displaystyle \sigma =E\varepsilon _{0}}$$${\displaystyle \varepsilon _{0}}$

เมื่อพื้นผิวถูกแช่ในสารละลายที่มีอิเล็กโทรไลต์พื้นผิวจะเกิดประจุสุทธิขึ้น ซึ่งมักเกิดจากการดูดซับไอออน สารละลายในน้ำโดยทั่วไปจะมีไอออน บวกและไอออนลบ ( แคตไอออนและแอนไอออนตามลำดับ) ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับประจุบางส่วนบนพื้นผิว ดูดซับและทำให้พื้นผิวแตกตัวเป็นไอออน และสร้างประจุสุทธิบนพื้นผิว^{[ 8 ]}ประจุสุทธินี้ส่งผลให้เกิดศักย์ไฟฟ้าบนพื้นผิว [L] ซึ่งทำให้พื้นผิวถูกล้อมรอบด้วยกลุ่มของไอออนตรงข้าม ซึ่งแผ่ขยายจากพื้นผิวเข้าไปในสารละลาย และโดยทั่วไปยังส่งผลให้เกิดแรงผลักระหว่างอนุภาค ยิ่งประจุบางส่วนในวัสดุมีขนาดใหญ่เท่าใด ไอออนก็จะถูกดูดซับไปยังพื้นผิวมากขึ้นเท่านั้น และกลุ่มของไอออนตรงข้ามก็จะมีขนาดใหญ่ขึ้น สารละลายที่มีความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์สูงขึ้นยังทำให้ขนาดของกลุ่มไอออนตรงข้ามเพิ่มขึ้นด้วย ชั้นไอออน/ไอออนตรงข้ามนี้เรียกว่า ชั้น ไฟฟ้าคู่^{[ 9 ]}

ค่า pH ของสารละลายสามารถส่งผลต่อประจุบนพื้นผิวได้อย่างมาก เนื่องจากหมู่ฟังก์ชันที่อยู่บนพื้นผิวของอนุภาคมักจะมีออกซิเจนหรือไนโตรเจน ซึ่งเป็นอะตอมสองอะตอมที่สามารถรับโปรตอนหรือดีโปรตอนเพื่อให้มีประจุได้ ดังนั้น เมื่อความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจนเปลี่ยนแปลง ประจุบนพื้นผิวของอนุภาคก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ที่ค่า pH ค่าหนึ่ง ประจุเฉลี่ยบนพื้นผิวจะเท่ากับศูนย์ ซึ่งเรียกว่าจุดประจุเป็นศูนย์ (PZC) ^{[ 2 ]}รายชื่อสารทั่วไปและ PZC ที่เกี่ยวข้องแสดงอยู่ทางด้านขวา

อินเทอร์เฟซถูกกำหนดให้เป็นขอบเขตทั่วไปที่เกิดขึ้นระหว่างสองเฟสที่แตกต่างกัน เช่น ระหว่างของแข็งและก๊าซ^{[ 2 ]}ศักย์ไฟฟ้าหรือประจุ เป็นผลมาจากความสามารถของวัตถุที่จะเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า ดังนั้น ศักย์อินเทอร์เฟซจึงถูกกำหนดให้เป็นประจุที่อยู่ที่ขอบเขตทั่วไประหว่างสองเฟส (ตัวอย่างเช่น กรดอะมิโน เช่นกลูตาเมตบนพื้นผิวของโปรตีน สามารถมีกรดคาร์บอกซิลิก ในโซ่ข้างถูกดีโปร โตเนตในสภาพแวดล้อมที่มีpHมากกว่า 4.1 เพื่อสร้างกรดอะมิโนที่มีประจุที่พื้นผิว ซึ่งจะสร้างศักย์อินเทอร์เฟซ) ศักย์อินเทอร์เฟซเป็นสาเหตุของการก่อตัวของชั้นไฟฟ้าคู่ ซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลายในสิ่งที่เรียกว่าปรากฏการณ์อิเล็กโทรไคเนติกการพัฒนาทฤษฎีของชั้นไฟฟ้าคู่จะอธิบายไว้ด้านล่าง

แบบจำลองที่เรียกว่า 'ชั้นไฟฟ้าคู่' นั้นถูกนำเสนอครั้งแรกโดยเฮอร์มันน์ ฟอน เฮล์มโฮลทซ์แบบจำลองนี้ตั้งสมมติฐานว่าสารละลายประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์เท่านั้น ไม่มีปฏิกิริยาใดๆ เกิดขึ้นใกล้กับขั้วไฟฟ้าที่สามารถถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้ และมีเพียงแรงดึงดูดแบบแวนเดอร์วาลส์ระหว่างไอออนในสารละลายกับขั้วไฟฟ้าเท่านั้น แรงดึงดูดเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากความหนาแน่นของประจุที่เกี่ยวข้องกับขั้วไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากอิเล็กตรอนส่วนเกินหรือส่วนขาดที่พื้นผิวของขั้วไฟฟ้า เพื่อรักษาสภาพความเป็นกลางทางไฟฟ้า ประจุของขั้วไฟฟ้าจะถูกปรับสมดุลโดยการกระจายตัวของไอออนใกล้กับพื้นผิว ไอออนที่ถูกดึงดูดจึงก่อตัวเป็นชั้นที่ปรับสมดุลประจุของขั้วไฟฟ้า ระยะทางที่ใกล้ที่สุดที่ไอออนสามารถเข้าใกล้ขั้วไฟฟ้าได้จะจำกัดอยู่ที่รัศมีของไอออนบวกกับทรงกลมการละลายรอบไอออนแต่ละตัว โดยรวมแล้ว จะสังเกตเห็นชั้นประจุสองชั้นและศักย์ไฟฟ้าลดลงจากขั้วไฟฟ้าไปยังขอบของชั้นนอก (ระนาบเฮล์มโฮลทซ์ด้านนอก) จากคำอธิบายข้างต้น โมเดล Helmholtz มีลักษณะเทียบเท่ากับตัวเก็บประจุไฟฟ้าที่มีแผ่นประจุแยกออกจากกันสองแผ่น ซึ่งสังเกตเห็นการลดลงของศักย์เชิงเส้นเมื่อระยะห่างจากแผ่นเพิ่มขึ้น โมเดล Helmholtz แม้จะเป็นพื้นฐานที่ดีสำหรับการอธิบายอินเทอร์เฟซ แต่ก็ไม่ได้คำนึงถึงปัจจัยสำคัญหลายประการ ได้แก่ การแพร่/การผสมในสารละลาย ความเป็นไปได้ของการดูดซับบนพื้นผิว และปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเมนต์ไดโพลของตัวทำละลายกับอิเล็กโทรด^{[ 10 ]}

ทฤษฎี Gouy-Chapman อธิบายถึงผลของประจุพื้นผิวคงที่ที่มีต่อศักยภาพของพื้นผิว^{[ 11 ]} " Gouyแนะนำว่าศักยภาพระหว่างพื้นผิวที่มีประจุสามารถเกิดจากจำนวนไอออนที่มีประจุที่กำหนดซึ่งติดอยู่กับพื้นผิว และจำนวนไอออนที่มีประจุตรงข้ามที่เท่ากันในสารละลาย" ^{[ 12 ]} ประจุบวกบนพื้นผิวจะก่อตัวเป็นชั้นคู่ เนื่องจากไอออนลบในสารละลายมีแนวโน้มที่จะสมดุลกับประจุบวกบนพื้นผิว ไอออนตรงข้ามไม่ได้ถูกยึดไว้อย่างแน่นหนา แต่มีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายเข้าไปในเฟสของเหลว จนกระทั่งศักยภาพตรงข้ามที่เกิดขึ้นจากการแยกตัวของไอออนตรงข้ามจะจำกัดแนวโน้มนี้พลังงานจลน์ของไอออนตรงข้ามจะส่งผลต่อความหนาของชั้นคู่ที่แพร่กระจายที่เกิดขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่าง C ซึ่งเป็นความเข้มข้นของไอออนตรงข้ามที่พื้นผิว และ ซึ่งเป็นความเข้มข้นของไอออนตรงข้ามในสารละลายภายนอก คือปัจจัย Boltzmann: โดยที่zคือประจุบนไอออนeคือประจุของโปรตอนk _Bคือค่าคงที่ Boltzmannและψคือศักยภาพของพื้นผิวที่มีประจุ ${\displaystyle C_{o}}$$${\displaystyle C=C_{0}e^{-{\frac {\psi ze}{k_{\mathrm {B} }T}}}}$$

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ไม่ถูกต้องเมื่ออยู่ใกล้พื้นผิว เนื่องจากถือว่าความเข้มข้นโมลาร์เท่ากับกิจกรรม นอกจากนี้ยังถือว่าไอออนถูกจำลองเป็นประจุจุดและได้รับการแก้ไขในภายหลัง การปรับปรุงทฤษฎีนี้ ซึ่งรู้จักกันในชื่อทฤษฎี Gouy-Chapman ที่ได้รับการดัดแปลง ได้รวมขนาดที่จำกัดของไอออนโดยสัมพันธ์กับการโต้ตอบกับพื้นผิวในรูปแบบของระนาบที่เข้าใกล้ที่สุด^{[ 13 ]}

ความสัมพันธ์ระหว่างประจุบนพื้นผิวและศักย์บนพื้นผิวสามารถแสดงได้ด้วยสมการ Grahame ซึ่งได้มาจากทฤษฎี Gouy-Chapman โดยสมมติเงื่อนไขความเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งระบุว่าประจุรวมของชั้นคู่ต้องเท่ากับค่าลบของประจุบนพื้นผิว การใช้สมการ Poisson แบบหนึ่งมิติ และสมมติว่าที่ระยะห่างอนันต์ความชันของศักย์เท่ากับ 0 จะได้สมการ Grahame ดังนี้: ^{[ 2 ]} โดยที่คือความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ในปริมาณมากค่าคงที่ของ Avogadroและ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ $${\displaystyle \sigma ={\sqrt {8c_{0}\varepsilon \varepsilon _{0}k_{\mathrm {B} }N_{A}T}}\sinh \left({\frac {ze\psi _{0}}{2k_{\mathrm {B} }T}}\right)}$$${\displaystyle c_{0}}$${\displaystyle N_{A}}$

สำหรับกรณีที่มีศักยภาพต่ำกว่าสามารถขยายได้เป็นและถูกกำหนดให้เป็นความยาวเดบายซึ่งนำไปสู่การแสดงออกอย่างง่ายดังนี้: ${\displaystyle \sinh(x)}$${\displaystyle \sinh(x)=x+x^{3}/3!+\cdots }$${\displaystyle \approx }$${\displaystyle x}$${\displaystyle \lambda _{D}}$$${\displaystyle \sigma ={\frac {\varepsilon \varepsilon _{0}\psi _{0}}{\lambda _{D}}}}$$

แบบ จำลองชั้นคู่ของ Otto Sternเป็นการผสมผสานระหว่างทฤษฎีของ Helmholtz และ Gouy-Chapman ทฤษฎีของเขากล่าวว่าไอออนมีขนาดจำกัด ดังนั้นจึงไม่สามารถเข้าใกล้พื้นผิวได้ใกล้กว่าไม่กี่นาโนเมตร ผ่านระยะทางที่เรียกว่าชั้น Stern ไอออนสามารถถูกดูดซับบนพื้นผิวได้จนถึงจุดที่เรียกว่าระนาบการลื่นไถล ซึ่งเป็นจุดที่ไอออนที่ถูกดูดซับพบกับของเหลวส่วนใหญ่ ที่ระนาบการลื่นไถล ศักย์ Ψ จะลดลงเหลือสิ่งที่เรียกว่า ศักย์ซีตาแม้ว่าศักย์ซีตาจะเป็นค่ากลาง แต่บางครั้งก็ถือว่ามีความสำคัญมากกว่าศักย์พื้นผิวในแง่ของการผลักกันทางไฟฟ้าสถิต^{[ 2 ]}

พื้นผิวที่มีประจุมีความสำคัญอย่างยิ่งและถูกนำไปใช้ในหลายๆ ด้าน ตัวอย่างเช่น สารละลายของอนุภาคคอลลอยด์ขนาดใหญ่ขึ้นอยู่กับการผลักกันเนื่องจากประจุบนพื้นผิวเกือบทั้งหมดเพื่อให้ยังคงกระจายตัวอยู่^{[ 14 ]}หากแรงผลักกันเหล่านี้ถูกรบกวน เช่น โดยการเติมเกลือหรือพอลิเมอร์ อนุภาคคอลลอยด์จะไม่สามารถคงสภาพการแขวนลอยได้อีกต่อไปและจะเกิดการตกตะกอน ในที่สุด ^{[ 15 ]}

ปรากฏการณ์อิเล็กโทรไคเนติกหมายถึงผลกระทบต่างๆ ที่เกิดจากชั้นไฟฟ้าคู่ตัวอย่างที่น่าสนใจคืออิเล็กโทรโฟเรซิสซึ่งอนุภาคที่มีประจุแขวนลอยอยู่ในตัวกลางจะเคลื่อนที่อันเป็นผลมาจากสนามไฟฟ้าที่ใช้^{[ 16 ]}อิเล็กโทรโฟเรซิสถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในชีวเคมีเพื่อจำแนกโมเลกุล เช่น โปรตีน โดยอาศัยขนาดและประจุ ตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่อิเล็กโทรออสโมซิสศักยภาพการตกตะกอนและศักยภาพการไหล^{[ 2 ]}

โปรตีนมักมีกลุ่มที่อยู่บนพื้นผิวซึ่งสามารถแตกตัวเป็นไอออนหรือแตกตัวเป็นไอออนได้ขึ้นอยู่กับค่า pH ทำให้การเปลี่ยนประจุบนพื้นผิวของโปรตีนทำได้ค่อนข้างง่าย สิ่งนี้มีผลกระทบสำคัญอย่างยิ่งต่อกิจกรรมของโปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์หรือช่องทางเมมเบรน โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณออกฤทธิ์ ของโปรตีน จะต้องมีประจุบนพื้นผิวที่เหมาะสมเพื่อให้สามารถจับกับสารตั้งต้นที่เฉพาะเจาะจงได้^{[ 17 ]}

พื้นผิวที่มีประจุมักมีประโยชน์ในการสร้างพื้นผิวที่ไม่ดูดซับโมเลกุลบางชนิด (ตัวอย่างเช่น เพื่อป้องกันการดูดซับโปรตีนพื้นฐาน ควรใช้พื้นผิวที่มีประจุบวก) โพลิเมอร์มีประโยชน์มากในเรื่องนี้ เนื่องจากสามารถปรับแต่งให้มีหมู่ไอออนไนซ์ได้ ซึ่งทำหน้าที่ให้ประจุบนพื้นผิวเมื่อจุ่มอยู่ในสารละลายในน้ำ^{[ 18 ]}