Ток смещения

 

Как известно, протекание электрического тока по проводнику вызывает в пространстве появление магнитного поля. Также установлено, что магнитное поле порождается не только током проводимости, но и током смещения, имеющим иную, чем ток проводимости, природу. Напомним, что электрический ток проводимости обусловлен направленным движением реальных заряженных частиц, движущихся под воздействием электрического поля.

Для выяснения понятия «ток смещения» рассмотрим электрическую цепь, содержащую плоский конденсатор (рис. 1.12). Пусть одна обкладка конденсатора имеет в данный момент времени положительный заряд (+q), другая –отрицательный (–q). Внутри конденсатора, между обкладками, создается электрическое поле напряженностью .

 

Рис. 1.12. Электрическое поле внутри конденсатора

 

Применим к одной из обкладок конденсатора закон Гаусса. Для этого мысленно окружим положительно заряженную обкладку замкнутой поверхностью S. Закон Гаусса имеет вид:

.

Тогда величину заряда, находящегося внутри замкнутой поверхности (положительной обкладки), можно записать как:

.

Так как через замкнутую цепь, содержащую конденсатор, течет переменный ток, то величину этого тока можно выразить формулой:

.

Величина имеет размерность плотности тока, которая и была названа плотностью тока смещения. Итак, плотность тока смещения определяется формулой

, (1.48)

 

тогда сила тока смещения определяется выражением

. (1.49)

 

Таким образом, возникающее в пространстве (среде) и изменяющееся с течением времени электрическое поле называется плотностью тока смещения, который порождает также магнитное поле. Подчеркнем, что хотя природа тока проводимости, обусловленная направленным движением заряженных частиц, и тока смещения, обусловленная изменением вектора напряженности электрического поля, различна, эти токи эквивалентны источникам магнитного поля. Иными словами, ток проводимости и ток смещения порождают в пространстве магнитное поле, т.е. являются источниками магнитного поля.

Следовательно, если в пространстве имеется изменяющееся электрическое поле, то возникает и магнитное, которое обнаруживается экспериментально. Рассмотрим пример, показанный на рис. 1.13. Пусть в пространстве имеется электрическое поле, которое в одном случае возрастает (а), в другом – убывает с течением времени (б). Электрическое поле задано с помощью вектора электрического смещения , изменение электрического поля с течением времени соответствует наличию производной , которая, в свою очередь, определяет плотность тока смещения, так как . На рис. 1.13а графически показан случай усиления электрического поля с течением времени, на рис. 1.13б – его ослабления.

Рис. 1.13. Варианты определения плотности тока смещения

 

Плотность тока смещения порождает магнитное поле, которое изображают с помощью замкнутых силовых линий. Направление обхода замкнутой силовой линии определяют правовинтовым буравчиком, т. е. буравчик вращают по часовой стрелке. Поступательное движение буравчика совпадает с направлением вектора плотности тока смещения , а направление вращательного движения правовинтового буравчика укажет искомое направление обхода. В первом случае (рис. 1.13а) направления векторов и совпадают, во втором – являются противоположными.