Ток смещения.

Основные законы электрических и электромагнитных явлений: теорема Гаусса, закон полного тока, закон ЭМИ - явились обобщением экспериментальных фактов и позволяют решать основную задачу, возникающую при изучении электромагнитных явлений: по заданному распределению зарядов и токов определить в каждой точке пространства созданные ими электрические и электромагнитные поля.

В 60-х годах 19 века Д.К. Максвелл, основываясь на идеях Фарадея об электрических и электромагнитных полях, обобщил законы, установленные экспериментально, и разработал законченную теорию единого электромагнитного поля, создаваемого произвольной системой зарядов и токов. Эта теория не только сыграла исключительную роль в научном и техническом прогрессе человечества, но и явилась важным вкладом в наше мировоззрение. Была установлена неразрывная связь между электрическими, магнитными и оптическими явлениями. Постепенно на основе этой теории утверждалось представление о 2-х формах существования материи: веществе и поле.

Одним из важнейших представлений теории Максвелла является понятие о токе смещения.

Чтобы понять смысл этой величины, рассмотрим процесс прохождения переменного тока через конденсатор, например, при его разрядке. Пусть конденсатор в некоторый момент обладает зарядом , - площадь пластин, - поверхностная плотность заряда.

,

внутри конденсатора существует электрическое поле:

.

Соединим пластины конденсатора проводником и проследим, что происходит внутри пластин и между ними (рис. 5).

Внутри пластин (обкладок) пойдет ток проводимости:

. (1)

Между пластинами изменяется со временем вектор электрического смещения (т.к. при прохождении тока заряд на пластинах изменяется со временем):

. (2)

Сравнивая (1) и (2) видим, что внутри пластин и между ними выражается одинаково, поэтому имеет смысл величину тоже назвать плотностью тока между пластинами. Такой ток назвали током смещения. Во времена Максвелла существовало представление о том, что появление в пространстве электрического поля вызывает механическое натяжение некоторой среды - эфира, в результате чего частицы эфира как бы смещаются. Под током смещения Максвелл подразумевал смещение гипотетических частиц эфира. И хотя впоследствии было доказано, что никакого эфира, частицы которого способны механически смещаться, не существует, представление о токе смещения осталось.

- плотность тока смещения. (3)

Плотность тока смещения в любой точке равна скорости изменения вектора в этой точке. Знак частной производной указывает на то, что j_см определяется только быстротой изменения электрического смещения по времени.

Термин «ток смещения» является чисто условным. По существу ток смещения - это изменяющееся со временем электрическое поле.

Основанием для того, чтобы назвать «током» величину (3) служит лишь то, что размерность ее совпадает с размерностью плотности тока. Из всех физических свойств, присущих действительному току, ток смещения обладает лишь одним - способностью создавать магнитное поле.

Максвелл выдвинул гипотезу о том, что ток смещения, как и любой ток, образует магнитное поле. Линии этого поля в виде концентрических окружностей охватывают площадку, через которую проходит ток смещения, а их направление определяется правилом правого винта. Применение электромагнитных волн в науке и технике подтвердило правильность этой гипотезы.

Как видно из рис.5, направления и , т.е. всегда совпадают. Следовательно, линии тока проводимости в проводнике не обрываются на поверхности конденсатора, а непрерывно переходят в линии тока смещения между пластинами в вакууме (и диэлектрике). Благодаря току смещения любой переменный ток становится замкнутым.

В общем случае токи проводимости и смещения в пространстве не разделены, поэтому Максвелл ввел понятие полного тока, равного сумме токов проводимости и смещения. Плотность полного тока:

.