Явление магнитоэлектрической индукции. Токи смещения.

Явление магнитоэлектрической индукции было предсказано английским физиком – теоретиком Д.Максвеллом (1831–1879гг.) в 1861г. Он ввёл понятие токов смещения, которые подобно токам проводимости создают магнитное поле. Токами смещения называют электрическое поле, изменяющееся со временем. Такое электрическое поле порождает в пространстве магнитное поле. Это явления называется магнитоэлектрической индукцией.

Идея взаимосвязи электрических и магнитных явлений оказалась чрезвычайно плодотворной. В 1864г. Максвелл ввел понятие электромагнитного поля, и в 1865г. теоретиче6ски предсказал существование электромагнитных волн. Таким образом, произошло объединение магнитных, электрических и оптических явлений в рамках одной теории.

Согласно Максвеллу существуют два механизма возникновения магнитного поля:

1. движущиеся электрические заряды (токи проводимости);

2. меняющееся во времени электрическое поле (токи смещения).

Рассмотрим эту проблему несколько детальнее и найдем количественные соотношения для токов смещения.

Известно, что постоянный ток в цепи с разрывом (например, в цепь включен конденсатор) не существует, а для переменного тока наличие конденсатора не является препятствием.

Р ассмотрим участок электрической цепи, содержащий плоский конденсатор без диэлектрика (см. рисунок). На рис. изображен процесс заряжения конденсатора. Заряд конденсатора возрастает за счет токов проводимости слева и справа от пластин, а в конденсаторе ток проводимости отсутствует.

Непрерывность переменного тока в местах разрыва обеспечивается токами смещения. В конденсаторе возникает изменяющееся во времени электрическое поле , поток которого через сечение конденсатора равен:

,

где q – заряд конденсатора.

Изменение заряда конденсатора приводит к изменению потока :

.

Скорость изменения потока называется током смещения:

.

Согласно закону сохранения электрического заряда изменение заряда конденсатора равно току проводимости:

.

Следовательно, .

Локальной характеристикой тока смещения является плотность тока смещения:

.

В нашем примере:

.

Откуда .

В общем случае следует записать:

.

При наличии диэлектрика:

.

Поэтому плотность тока смещения равна сумме:

.

Второе слагаемое связано со смещением поляризационных зарядов. Этим объясняется возникновение термина «ток смещения».

Теорема полного тока.

Для магнитного поля, создаваемого токами смещения, и токами проводимости в линейной среде, можно записать:

,

где - полный ток через поверхность , натянутую на контур .

Так как для однородной среды:

,

то циркуляция вектора равна полному току, охваченному контуром :

.

Это утверждение составляет содержание теоремы полного тока.

Отметим, что теорема полного тока применима и в случае неоднородной среды. Для нелинейных сред необходимо учитывать зависимость магнитной проницаемости среды от напряженности .

Физический смысл теоремы полного тока заключается в том, что магнитное поле создается движущимися зарядами (токами) и переменным электрическим полем.