Ток смещения это кратко

Обновлено: 07.07.2024

Ток смещения, или абсорбционный ток — величина, прямо пропорциональная скорости изменения электрической индукции. Это понятие используется в классической электродинамике. Введено Дж. К. Максвеллом при построении теории электромагнитного поля.

Введение тока смещения позволило устранить противоречие в формуле Ампера для циркуляции магнитного поля, которая после добавления туда тока смещения стала непротиворечивой и составила последнее уравнение, позволившее корректно замкнуть систему уравнений (классической) электродинамики.

Существование тока смещения также следует из закона сохранения электрического заряда.

Строго говоря, ток смещения не является электрическим током, но измеряется в тех же единицах, что и электрический ток.

В природе можно выделить два вида токов: ток связанных зарядов и ток проводимости.

Ток связанных зарядов — это перемещение средних положений связанных электронов и ядер, составляющих молекулу, относительно центра молекулы.

Сумма тока связанных зарядов и быстроты изменения потока электрического поля была названа током смещения в диэлектриках.

Ток смещения существует и в проводниках, по которым течёт переменный ток проводимости, однако в данном случае он пренебрежимо мал по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения подтверждено экспериментально советским физиком А. А. Эйхенвальдом, изучившим магнитное поле тока поляризации, который является частью тока смещения. В общем случае, токи проводимости и смещения в пространстве не разделены, они находятся в одном и том же объеме. Поэтому Максвелл ввёл понятие полного тока, равного сумме токов проводимости (а также конвекционных токов) и смещения.

Мы знаем, что постоянный ток в цепи с конденсатором не течет, переменный - протекает. Сила квазистационарного тока во всех элементах цепи, если они соединяются последовательно, одинакова. В конденсаторе, обкладки которого разделяет диэлектрик, ток проводимости, вызванный перемещением электронов, идти не может. Значит, если ток переменный (присутствует переменное электрическое поле), происходит некоторый процесс, который замыкает ток проводимости без переноса заряда между обкладками конденсатора. Этот процесс называют током смещения.

Любое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Исследуя разные электромагнитные процессы, Максвелл сделал вывод о том, что существует обратное явление: изменение электрического поля вызывает появление вихревого магнитного поля. Это одно из основных утверждений в теории Максвелла.

Так как магнитное поле -- обязательный признак любого тока, Максвелл назвал переменное электрическое поле током смещения. Ток смещения следует отличать от тока проводимости, который вызван движением заряженных частиц (электронов и ионов). Токи смещения появляются только в том случае, если электрическое смещение ($\overrightarrow$) переменно. Объемная плотность тока смещения определяется как:

Именно вследствие этого физическое содержание предположения Максвелла о токах смещения сводится к утверждению о том, что переменные электрические поля -- источники переменных магнитных полей.

Следует заметить, что плотность тока смещения определена производной вектора $\overrightarrow$, а не самим вектором.

Готовые работы на аналогичную тему

Ток смещения в диэлектрике

По определению вектора электрической индукции ($\overrightarrow$):

где $_0$ -- электрическая постоянная, $\overrightarrow$ -- вектор напряженность, $\overrightarrow$ -- вектор поляризации. Следовательно, ток смещения можно записать как:

где величина $\frac<\partial \overrightarrow

><\partial t>$ -- плотность тока поляризации. Токи поляризации -- токи, которые вызваны движением связанных зарядов, которые принципиально не отличаются от свободных зарядов. Поэтому нет ни чего странного, что токи поляризации порождают магнитное поле. Принципиальная новизна содержится в утверждении, что вторая часть тока смещения ($_0\frac<\partial \overrightarrow><\partial t>$), не связанная с движением зарядов, также порождает магнитное поле. Получается, что в вакууме, любое изменение электрического поля по времени вызывает магнитное поле.

Полный ток

В том случае, если в проводнике течет переменный ток, то внутри него имеется переменное электрическое поле. Значит, в проводнике существует ток проводимости ($j$) и ток смещения. Магнитное поле проводника определено суммой вышеназванных токов, то есть полным током ($\overrightarrow$):

В зависимости от электропроводности вещества, частоты переменного тока, слагаемые в выражении (4), играют разную роль. В веществах с хорошей проводимостью (например, металлах) и при низких частотах переменного тока плотность тока смещения невелика, тогда как ток проводимости существенен. В таком случае, током смещения пренебрегают, в сравнении с током проводимости. В веществах с высоким сопротивлением (изоляторах) и при больших частотах тока ведущую роль играет ток смещения.

Оба слагаемых в выражении (4) могут иметь одинаковые знаки и противоположные. Следовательно, полный ток может быть и больше и меньше тока проводимости, может даже быть равен нулю.

Значит, в общем случае переменных токов магнитное поле определяется полным током. Если контур разомкнут, то на концах проводника обрывается только ток проводимости. В диэлектрике между концами проводника присутствует ток смещения, который замыкает ток проводимости. Получается, что если под электрическим током понимать полный ток, то в природе все токи замкнуты.

Задание: Плоский конденсатор заряжен и отключен от источника заряда. Он медленно разряжается объемными токами проводимости, которые появляются между обкладками, так как присутствует небольшая электрическая проводимость. Чему равна напряжённость магнитного поля внутри конденсатора? Считать, что краевых эффектов в конденсаторе нет.

Решение:

Допустим, что поверхностная плотность заряда на обкладках равна $\sigma \ и-\sigma .$ В таком случае, модуль вектора электрического смещения ($D$) для плоского конденсатора равен:

Ток смещения можно найти как:

Подставив вместо $D$ правую часть выражения (1.1), имеем:

В соответствии с законом сохранения заряда, можно записать, что:

Полный ток равен:

Для нашего плоского конденсатора, учитывая полученные выражения (1.3), (1.4), имеем:

Ответ: Магнитное поле в конденсаторе равно нулю.

Задание: Допустим, что неограниченную однородную проводящую среду поместили в металлический шар, имеющий заряд $Q$. В этой среде возникнут электрические токи, которые потекут в радиальных направлениях. Покажите, что данная ситуация требует введения тока смещения при описании возникающих полей.

Решение:

Электрические токи, которые текут от (или к ) шару, возбуждают магнитное поле. Определим направление вектора магнитной индукции этого магнитного поля.


Вектор $\overrightarrow$ не имеет радиальной составляющей. Система обдает сферической симметрией. Если бы радиальная составляющая вектора индукции имелась, то она была бы одинаковой для всех точек сферы $S$ (рис.1), концентрической с поверхностью шара, имела направление от центра шара или к его центру. В обоих случаях поток вектора индукции через сферу $S$ был бы не равен нулю, что противоречит уравнению из системы Максвелла:

Значит, вектор индукции магнитного поля должен быть перпендикулярен к радиусу, который проведен из центра шара к рассматриваемой точке. Это также невозможно, так как все направления, перпендикулярные к радиусу, равноправны. Единственная возможность, которая не противоречит симметрии шара, заключается в том, что векторы $\overrightarrow\ и\ \overrightarrow$ всюду равны нулю. Следовательно, равна нулю плотность тока проводимости $\overrightarrow,\ $ что противоречит уравнению:

Для устранения полученного противоречия следует предположить, что магнитные поля порождаются не только токами проводимости. Добавим к току проводимости ток смещения ($I_$), который в нашем случае будет уничтожать возбуждаемое магнитное поле. Его величина определяется из условия:

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, то должно сущест­вовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вы­зывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электриче­ским полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения.

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор (рис. 61). Между обкладками заряжающего конденсатора имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Максвеллу, через конденсатор "протекают" токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники.

Найдем количественную связь между изменяющимся электрическим и вызываемым им магнитным полем . По Максвеллу, переменное электриче­ское поле конденсатора в каждый момент времени создает такое магнитное по­ле, как если бы между обкладками конденсатора существовал ток проводимо­сти, равный току в проводящих проводах. Тогда можно утверждать, что токи проводимости (I) и смещения (Ісм) равны: Ісм=І. Ток проводимости вблизи об­кладок конденсатора

(поверхностная плотность заряда а на обкладках равна электрическому смеще­нию D в конденсаторе). Подынтегральное выражение в (5.3) можно рассматривать как частый случай скалярного произведения , когда и взаимно параллельны. Поэтому для общего случая можно записать

Сравнивая это выражение с І = Ісм =имеем

Выражение (5.4) и было названо Максвеллом плотностью тока смещения.

Рассмотрим, каково же направление векторов плотностей токов проводи­мости и токов смещения. При зарядке конденсатора (рис. 61) через проводник, соединяющий обкладки, ток течет от правой обкладки к левой, поле в конденсаторе усиливается, вектор растет со временем. Следовательно, , те.

вектор направлен в ту же сторону, что и .

На рисунке видно, что направления векторов и совпадают. При разрядке конденсатора (рис. 61, б) через проводник, соединяющий обкладки, ток течет от левой обкладки к правой, поле в конденсаторе ослабляется, вектор убывает со временем, Следовательно , т.е. вектор направлен противоположно вектору . Однако вектор направлен опять так же, как и вектор . Из разнообразных примеров следует, что направление вектора , а следовательно, и вектора см совпадает с направлением вектора , как это и следует из формулы (5.4).

Из всех физических свойств, присущих току проводимости, Максвелл приписал току смещения лишь одно - способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Таким образом, ток смещения (в вакууме или веществе) создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В диэлектриках ток смещения состоит из двух слагаемых. Так как, согласно, где - напряженность электростатического поля, а - поляризованность, то плотность тока смещения

где - плотность тока смещения в вакууме, - плотность тока поляризации - тока, обусловленного упорядоченным движением электрических зарядов в диэлектрике (смещение зарядов в неполярных молекулах или поворот дипо­лей в полярных молекулах)

Возбуждение магнитного поля токами поляризации правомерно, т.к. токи поляризации по своей природе не отличаются от токов проводимости. Однако то, что и другая часть плотности тока смещения (), не связанная с движением зарядов, а обусловленная только изменением электрического поля во времени, также возбуждает магнитное поле, является принципиально новым утверждением Максвелла. Даже в вакууме всякое изменение во времени элек­трического поля приводит к возникновению в окружающем пространстве маг­нитного поля

Следует отметить, что название (ток смещения) является условным, а точ­нее - исторически сложившимся, т.к. ток смещения по своей сути - это из­меняющееся со временем электрическое поле. Ток смещения поэтому сущест­вует не только в вакууме или диэлектриках, но и внутри проводников, по кото­рым течет переменный ток. Однако в данном случае он пренебрежительно мал по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения подтверждено экспериментально советским физиком А.А.Эйхенвальдом, изучавшим магнит­ное поле тока поляризации, которое, как следует из (5.5), является частью тока смещения




Максвелл ввел понятие полного тока, равного сумме токов проводимости и смещения. Плотность полного тока

Введя понятие тока смещения и полного тока, Максвелл по-новому подошел к рассмотрению замкнутости цепей переменного тока. Полный ток в них всегда замкнут, т.е. на конце проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения, который замыкает ток проводимости.

Максвелл обобщил теорему о циркуляции вектора Н (), введя в ее

правую часть полный ток сквозь поверхность S, натянутую на

замкнутый контур L. Тогда обобщенная теорема о циркуляции вектора Н запишется в виде

Выражение (5.6) справедливо всегда, свидетельством чего является полное соответствие теории и опыта.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, то должно сущест­вовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вы­зывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электриче­ским полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения.

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор (рис. 61). Между обкладками заряжающего конденсатора имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Максвеллу, через конденсатор "протекают" токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники.

Найдем количественную связь между изменяющимся электрическим и вызываемым им магнитным полем . По Максвеллу, переменное электриче­ское поле конденсатора в каждый момент времени создает такое магнитное по­ле, как если бы между обкладками конденсатора существовал ток проводимо­сти, равный току в проводящих проводах. Тогда можно утверждать, что токи проводимости (I) и смещения (Ісм) равны: Ісм=І. Ток проводимости вблизи об­кладок конденсатора

(поверхностная плотность заряда а на обкладках равна электрическому смеще­нию D в конденсаторе). Подынтегральное выражение в (5.3) можно рассматривать как частый случай скалярного произведения , когда и взаимно параллельны. Поэтому для общего случая можно записать

Сравнивая это выражение с І = Ісм =имеем

Выражение (5.4) и было названо Максвеллом плотностью тока смещения.

Рассмотрим, каково же направление векторов плотностей токов проводи­мости и токов смещения. При зарядке конденсатора (рис. 61) через проводник, соединяющий обкладки, ток течет от правой обкладки к левой, поле в конденсаторе усиливается, вектор растет со временем. Следовательно, , те.

вектор направлен в ту же сторону, что и .

На рисунке видно, что направления векторов и совпадают. При разрядке конденсатора (рис. 61, б) через проводник, соединяющий обкладки, ток течет от левой обкладки к правой, поле в конденсаторе ослабляется, вектор убывает со временем, Следовательно , т.е. вектор направлен противоположно вектору . Однако вектор направлен опять так же, как и вектор . Из разнообразных примеров следует, что направление вектора , а следовательно, и вектора см совпадает с направлением вектора , как это и следует из формулы (5.4).

Из всех физических свойств, присущих току проводимости, Максвелл приписал току смещения лишь одно - способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Таким образом, ток смещения (в вакууме или веществе) создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В диэлектриках ток смещения состоит из двух слагаемых. Так как, согласно, где - напряженность электростатического поля, а - поляризованность, то плотность тока смещения

где - плотность тока смещения в вакууме, - плотность тока поляризации - тока, обусловленного упорядоченным движением электрических зарядов в диэлектрике (смещение зарядов в неполярных молекулах или поворот дипо­лей в полярных молекулах)

Возбуждение магнитного поля токами поляризации правомерно, т.к. токи поляризации по своей природе не отличаются от токов проводимости. Однако то, что и другая часть плотности тока смещения (), не связанная с движением зарядов, а обусловленная только изменением электрического поля во времени, также возбуждает магнитное поле, является принципиально новым утверждением Максвелла. Даже в вакууме всякое изменение во времени элек­трического поля приводит к возникновению в окружающем пространстве маг­нитного поля

Следует отметить, что название (ток смещения) является условным, а точ­нее - исторически сложившимся, т.к. ток смещения по своей сути - это из­меняющееся со временем электрическое поле. Ток смещения поэтому сущест­вует не только в вакууме или диэлектриках, но и внутри проводников, по кото­рым течет переменный ток. Однако в данном случае он пренебрежительно мал по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения подтверждено экспериментально советским физиком А.А.Эйхенвальдом, изучавшим магнит­ное поле тока поляризации, которое, как следует из (5.5), является частью тока смещения

Максвелл ввел понятие полного тока, равного сумме токов проводимости и смещения. Плотность полного тока

Введя понятие тока смещения и полного тока, Максвелл по-новому подошел к рассмотрению замкнутости цепей переменного тока. Полный ток в них всегда замкнут, т.е. на конце проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения, который замыкает ток проводимости.

Максвелл обобщил теорему о циркуляции вектора Н (), введя в ее

правую часть полный ток сквозь поверхность S, натянутую на

замкнутый контур L. Тогда обобщенная теорема о циркуляции вектора Н запишется в виде

Выражение (5.6) справедливо всегда, свидетельством чего является полное соответствие теории и опыта.

Ток смещения или абсорбционный ток — величина, прямо пропорциональная быстроте изменения электрической индукции. Это понятие используется в классической электродинамике. Введено Дж. К. Максвеллом при построении теории электромагнитного поля.

Введение тока смещения позволило устранить противоречие [1] в формуле Ампера для циркуляции магнитного поля, которая после добавления туда тока смещения стала непротиворечивой и составила последнее уравнение, позволившее корректно замкнуть систему уравнений (классической) электродинамики.

Строго говоря, ток смещения не является [2] электрическим током, но измеряется в тех же единицах, что и электрический ток.

Точная формулировка

В вакууме, а также в любом веществе, в котором можно пренебречь поляризацией либо скоростью её изменения, током смещения (с точностью до универсального постоянного коэффициента) называется [3] поток вектора быстроты изменения электрического поля через некоторую поверхность [4] :

J_D=\varepsilon_0\int_s\frac<\partial\mathbf<E></p> <p>><\partial t>\cdot \mathbf
(СИ)

J_D=\frac<1></p> <p><4\pi>\int_s\frac<\partial\mathbf<E>> <\partial t>\cdot \mathbf
(СГС)

В диэлектриках (и во всех веществах, где нельзя пренебречь изменением поляризации) используется следующее определение:

J_D=\int_s\frac<\partial\mathbf<D></p> <p>><\partial t>\cdot \mathbf
(СИ)

J_D=\frac<1></p> <p><4\pi>\int_s\frac<\partial\mathbf<D>><\partial t>\cdot \mathbf
(СГС),

Соответственно, плотностью тока смещения в вакууме называется величина

\mathbf<j_D></p> <p>=\varepsilon_0\frac<\partial\mathbf<E>><\partial t>
(СИ)

\mathbf<j_D></p> <p>=\frac<4\pi>\frac<\partial\mathbf<E>><\partial t>
(СГС)

а в диэлектриках — величина

\mathbf<j_D></p> <p>=\frac<\partial\mathbf<D>><\partial t>
(СИ)

\mathbf<j_D></p> <p>=\frac<4\pi>\frac<\partial\mathbf<D>><\partial t>
(СГС)

Ток смещения и ток проводимости

В природе можно выделить два вида токов: ток связанных зарядов и ток проводимости.

Ток связанных зарядов — это перемещение средних положений связанных электронов и ядер, составляющих молекулу, относительно центра молекулы.

Сумма тока связанных зарядов и быстроты изменения потока электрического поля была названа током смещения в диэлектриках.

Ток смещения существует и в проводниках, по которым течёт переменный ток проводимости, однако в данном случае он пренебрежимо мал по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения подтверждено экспериментально советским физиком А. А. Эйхенвальдом, изучившим магнитное поле тока поляризации, который является частью тока смещения. В общем случае, токи проводимости и смещения в пространстве не разделены, они находятся в одном и том же объеме. Поэтому Максвелл ввёл понятие полного тока, равного сумме токов проводимости (а также конвекционных токов) и смещения. Плотность полного тока:

\mathbf j_\Sigma = \mathbf j + \mathbf j_D = \mathbf j+\frac<\partial\mathbf D></p> <p><\partial t>,

где j — плотность тока проводимости, jD — плотность тока смещения [5] .

В диэлектрике (например, в диэлектрике конденсатора) и в вакууме нет токов проводимости. Поэтому приведенная выше формула Максвелла пишется так —

\mathbf j_\Sigma = \mathbf j_D = \frac<\partial\mathbf D></p> <p><\partial t>

Примечания

Читайте также: