Взаимные превращения электрического и магнитного полей

Между электрическим и магнитным полями существует глубокая внутренняя связь, проявляющаяся в том, что эти поля могут превращаться друг в друга. Общую теорию электромагнитного поля развил Максвелл.

Анализируя явление электромагнитной индукции Максвелл пришел к выводу, что причина возникновения ЭДС индукции при изменении магнитного поля заключается в возникновении электрического поля. При этом проводники играют второстепенную роль и являются как бы прибором, обнаруживающем это поле. Существенная особенность рассматриваемого явления в том, что возникающее электрическое поле не является электростатическим. Силовые линии электростатического поля всегда разомкнуты, они начинаются и оканчиваются на зарядах. Напряжение по замкнутому контуру в электростатическом поле всегда равно 0, поэтому электростатическое поле не может поддерживать замкнутое движение зарядов.

Электрическое поле, возникающее при электромагнитной индукции, имеет замкнутые силовые линии, т.е., представляет собой вихревое поле. Такое поле вызывает движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению электродвижущей силы.

На основании такого истолкования явления электромагнитной индукции Максвелл пришел к следующему выводу, выражающему первое основное положение (или постулат) его теории: всякое изменение магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля.

Это положение можно представить в количественной форме

- это соотношение выражает количественную связь между изменяющимся магнитным полем и вихревым электрическим полем.

Знак магнитного потока зависит от выбора направления нормали к контуру. Направление нормали и направление обхода по контуру связаны правилом правого винта. Если вектор В направлен по направлению нормали (или составляет острый угол), то поток Ф будет положительным. Если магнитное поле увеличивается, то> 0 и, следовательно,< 0, т.е., вихревое поле направлено против отмеченного направления обхода контура.

> 0 < 0

Ток смещения

Анализируя различные электромагнитные процессы, Максвелл пришел к выводу, что должно существовать и обратное явление:

Всякое изменение электрического поля вызывает появление вихревого магнитного поля.

Это утверждение является вторым основным положением теории Максвелла.

Так как магнитное поле – это основной обязательный признак любого тока, то Максвелл назвал переменное электрическое поле током смещения, в отличие от тока проводимости, обусловленного движением заряженных частиц.

Понятие тока смещения можно пояснить на следующем примере. Если включить конденсатор в цепь постоянного тока, то тока в цепи не будет, за исключением кратковременного зарядного тока в начальный момент времени. Т.е., для постоянного тока цепь разомкнута конденсатором. Если же конденсатор включить в цепь переменного тока, то в этом случае в цепи будет протекать переменный ток.

Следовательно, в отличие от постоянного тока изменяющиеся или переменные токи могут существовать и в разомкнутых контурах. При этом всякий раз, когда в разомкнутом контуре имеется ток, между обкладками конденсатора имеется изменяющееся электрическое поле или ток смещения. Таким образом, токи проводимости в проводниках замыкаются токами смещения в диэлектрике.

Электрическое поле в конденсаторе создает такое же магнитное поле, как и ток проводимости в подводящих проводниках. Это позволяет установить количественную связь между изменяющимся электрическим полем и создаваемым им магнитным полем.

Когда конденсатор заряжен, между его пластинами существует электрическое поле . Если заряд на пластинах конденсатора изменяется, то в цепи будет протекать ток. Левая часть этого равенства характеризует ток проводимости в цепи, а правая показывает скорость изменения электрического поля между пластинами конденсатора и называется током смещения. Величинаназывается плотностью тока смещения.Переменное электрическое поле вызывает такое же магнитное поле, как и ток проводимости с плотностью равной j_см.

Так как электрическое поле может зависеть не только от времени, но и от координат, то выражение для плотности тока смещения записывается как частная производная - это означает, что магнитное поле зависит от быстроты изменения индукции электрического поля в каждой точке поля.

Направление магнитного поля зависит от того, увеличивается или уменьшается электрическое поле (определяется по правилу буравчика).

↑↓

Если в проводнике имеется переменный ток, то внутри проводника существует переменное электрическое поле. Поэтому внутри проводника имеются и ток проводимости и ток смещения. И магнитное поле проводника определяется их суммой j_полн = j + j_см = j + . В зависимости от электропроводности среды и быстроты изменения поля эти слагаемые играют разную роль.

В хорошо проводящих веществах и при низких частотах основную роль играет ток проводимости. В плохо проводящих средах и при высоких частотах основную роль играет ток смещения.

В разомкнутых контурах на концах проводника обрывается лишь ток проводимости. В диэлектрике между концами проводника имеется ток смещения, который замыкает ток проводимости. Поэтому если под электрическим током понимать полный ток, то в природе все электрические токи замкнуты.

Магнитное поле определяется полным током. По теореме о циркуляции

первое слагаемое – ток проводимости i. Во втором слагаемом можно изменить последовательность интегрирования и дифференцирования. , N – поток вектора электрического смещения.+.