2.5. Електромагнітні хвилі

2.5.1. Струм зміщення

Повернемося ще раз до причини виникнення магнітного поля. Ми говорили про те, що причиною виник­нення магнетизму є рух електричних зарядів. А що ж відбувається у випадку розімкненого електричного кола, коли відсутній сам провідник (наявність конденсатора оз­начає по суті розрив кола)? Як пояснити наявність змінного струму в такому колі?

Мал. 2.39.

Фізичне пояснення дав видатний фізик Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879 рр). Це пояснення базується на по­нятті струмів зміщення, які є свого роду продовженням звичних струмів провідності. Максвелл припустив, що маг­нітне поле може збуджуватись не тільки електричним струмом, а й змінним електричним полем.

Знайдемо вираз для сили струму зміщення. Для цього розглянемо проходження змінного струму по колу, в яке увімкнений конденсатор (мал. 2.39). Конденсатор не пе­решкоджає протіканню змінного струму і можна вважати, що звичайний струм провідностізамикається в конден­саторі струмом зміщення

Заряд на обкладках плоского конденсатора

Тоді сила струму зміщення в конденсаторі

а густина струму зміщення

(2.81)

або, враховуючи зв'язок між векторами напруженності Е й індукції електричного поля (2.3),

(2.82)

Отже, густина струму зміщення дорівнює швидкості зміни з часом індукції електричного поля. Із (2.81) випли­ває, що вектор направлений в той самий бік, що й Тобто, якщо конденсатор заряджається то вектори мають однаковий напрям, якщо ж то

векторипротилежні за напрямом.

Пригадаємо, що у діелектрику вектор індукції елек­тричного поля пов'язаний з векторами напруженості і і по­ляризації Р співвідношенням

Тоді густина струму зміщення в діелектрику складаєть­ся з двох доданків:

(2.83)

Перший доданок має місце і у вакуумі, другий доданок характеризує зміщення електричних зарядів у діелектрику, яке й зумовлює нагрівання діелектрика.

Найголовніша властивість струму зміщення полягає в тому, що він, як і струм провідності, створює вихрове маг­нітне поле.

Струм зміщення виникає завжди, коли змінюється з ча­сом електричне поле. Він може бути і в провідниках, і в діелектриках, і в вакуумі. Густина повного струму дорів­нює сумі густин струмів провідності і зміщення:

(2.84)

Залежно від електропровідності середовища і швид­кості зміни поля (частоти) доданки в рівнянні (2.84) відіграють різну роль. Припустимо, що напруженість поля змінюється за гармонічним законом тоді густина струму зміщення:густина струму провідності Відношення максимальних (амплітудних) значень густини струму провідності та зміщення: Для біологічних тканин при частотах, близьких до Гц, амплітудні значення цих струмів є величинами одного порядку. Із збільшенням частоти електромагнітних коли­вань зростає вклад струму зміщення в повний струм.

Проходження струму зміщення в різних середовищах супроводжується виділенням теплоти, яка може бути розра­хована за законом Джоуля-Ленца (2.41):

(2.85)

Якщо напруженість поля змінюється за гармонічним законом Тобто

(2.86)

У випадку однорідного діелектрика кількість теплоти може бути розрахована за формулою:

(2.87)

де - кут між вектором напруженості Е та вектором поля­ризації Р, його називають кутом діелектричних втрат, а -деякий сталий коефіцієнт.