Interested Article - Ток смещения (электродинамика)

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.

Точная формулировка

В вакууме, а также в любом веществе, в котором можно пренебречь поляризацией либо скоростью её изменения, током смещения $J_{D}$ (с точностью до универсального постоянного коэффициента) называется поток вектора скорости изменения электрического поля $\partial \mathbf {E} /\partial t$ через некоторую поверхность $s$ :

J_{D}=\varepsilon _{0}\int _{s}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\cdot \mathbf {ds}

( СИ )

J_{D}={\frac {1}{4\pi }}\int _{s}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\cdot \mathbf {ds}

( СГС )

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

J_{D}=\int _{s}{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}\cdot \mathbf {ds}

( СИ )

J_{D}={\frac {1}{4\pi }}\int _{s}{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}\cdot \mathbf {ds}

( СГС ),

где D — вектор электрической индукции (исторически вектор D назывался электрическим смещением, отсюда и название «ток смещения»)

Соответственно, плотностью тока смещения в вакууме называется величина

\mathbf {j_{D}} =\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}

( СИ )

\mathbf {j_{D}} ={\frac {1}{4\pi }}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}

( СГС )

а в диэлектриках — величина

\mathbf {j_{D}} ={\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}

( СИ )

\mathbf {j_{D}} ={\frac {1}{4\pi }}{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}

( СГС )

В некоторых книгах плотность тока смещения называется просто «током смещения».

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.

Ток проводимости — это направленное движение на большие расстояния свободных зарядов (например, ионов или свободных электронов). В случае, если этот ток идёт не в веществе, а в свободном пространстве, нередко вместо термина «ток проводимости» употребляют термин «ток переноса». Иначе говоря, ток переноса или ток конвекции обусловлен переносом электрических зарядов в свободном пространстве заряженными частицами или телами под действием электрического поля.

Во времена Максвелла ток проводимости мог быть экспериментально зарегистрирован и измерен (например, амперметром , индикаторной лампой), тогда как движение связанных зарядов внутри диэлектриков могло быть лишь косвенно оценено.

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

При разрыве цепи постоянного тока и включении в неё конденсатора ток в разомкнутом контуре отсутствует. При питании такого разомкнутого контура от источника переменного напряжения в нём регистрируется переменный ток (при достаточно высокой частоте и ёмкости конденсатора загорается лампа, включённая последовательно с конденсатором). Для описания «прохождения» переменного тока через конденсатор (разрыв по постоянному току) Максвелл ввёл понятие тока смещения.

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 русским 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 , 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} }{\partial t}},

где j — плотность тока проводимости, j _D — плотность тока смещения .

В диэлектрике (например, в диэлектрике конденсатора) и в вакууме нет токов проводимости. Поэтому в этом частном случае приведенная выше формула Максвелла сводится к:

\mathbf {j} _{\Sigma }=\mathbf {j} _{D}={\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}

Примечания

В магнитостатике этого противоречия не было, так как в ней на все токи наложено (искусственно) условие постоянства и замкнутости токов ( соленоидальности поля плотности тока). В общем же случае переменных токов, с которым столкнулся Максвелл, ток может быть «незамкнутым», то есть например он может (некоторое время) течь в проводе, не выходя за его концы, на которых будут просто накапливаться заряды. Тогда, выбрав в теореме Ампера две различные поверхности, натянутые на один и тот же контур, но одну из которых провод будет пересекать, а другую (которую мы изогнём так, чтобы она проходила уже за концом провода) — нет, мы получим два разных выражения для тока, которые должны быть равны одному и тому же значению циркуляции магнитного поля. То есть приходим к явному противоречию, которое показывает необходимость исправления формулы, способ которого и нашел Максвелл, заменив ток в тех областях пространства, где он не течёт, током смещения.
Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов. (1988). Дата обращения: 27 января 2016. 29 ноября 2019 года.
для случая вакуума; для случая же диэлектрика точнее было бы сказать, что ток смещения является электрическим током не весь, а только та его часть, что связана с поляризацией диэлектрика — то есть перемещением реальных связанных зарядов в молекулах диэлектрика.
При условии фиксированности (неподвижности) поверхности интегрирования или хотя бы постоянстве её края (или отсутствии края, то есть и для всех замкнутых поверхностей, производную в формулах ниже можно очевидно вынести оператор производной за знак интеграла, например: $\int _{s}{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {E} \cdot \mathbf {ds} ={\frac {\partial }{\partial t}}\int _{s}\mathbf {E} \cdot \mathbf {ds}$ , получив тождественную (при таком условии) формулировку: ток смещения (с точностью до универсального постоянного коэффициента) есть быстрота изменения потока электрического поля через поверхность — для вакуума, и аналогичные формулировки для всех случаев, описанных в статье.
Аналогично тому, как обычным током $J$ называется поток плотности тока через некоторую поверхность (например, через сечение проводника): $J=\int _{s}\mathbf {j} \cdot \mathbf {ds}$
Иногда для обозначения тока проводимости и тока смещения используют не индекс, а разные буквы: i и j соответственно.