Электромагнитное поле вихревое электрическое поле

Из закона Фарадея для электромагнитной индукции

(8)

следует, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводником, в нём возникает э.д.с. индукции, под действием которой в проводнике появляется индукционный ток, если проводник замкнутый.

Для объяснения э.д.с. индукции Максвелл выдвинул гипотезу, что переменное магнитное поле создаёт в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле действует на свободные заряды проводника, приводя их в упорядоченное движение, т.е. создавая индукционный ток. Таким образом, замкнутый проводящий контур является своеобразным индикатором, с помощью которого и обнаруживается данное электрическое поле. Обозначим напряжённость этого поля через . Тогда э.д.с. индукции

. (9)

(см. понятие э.д.с. источника). Объединяя соотношения (8) и (9), получаем

(10)

Из электростатики известно, что циркуляция напряжённости электростатического поля равна нулю, т.е.где— напряжённость электростатического поля. Это соотношение является условием потенциальности электростатического поля. Однако из (10) следует, что, т.е.электрическое поле, возбуждаемое изменяющимся со временем магнитным полем, является вихревым (не потенциальным).

Следует отметить, что линии напряжённости электростатического поля начинаются и заканчиваются на зарядах, создающих поле, а линии напряжённости вихревого электрического поля всегда замкнутые.

Ток смещения

Как указывалось, Максвелл высказал гипотезу, что переменное магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле. Он сделал и обратное предположение: переменное электрическое поле должно вызывать возникновение магнитного поля. В дальнейшем эти обе гипотезы получили экспериментальное подтверждение в опытах Герца. Появление магнитного поля при изменении электрического поля можно трактовать так, как будто бы в пространстве возникает электрический ток. Этот ток был назван Максвеллом током смещения. Ток смещения в отличие от тока проводимости в металлах не связан с движением электрических зарядов, а обусловлен переменным электрическим полем. В действительности никакого тока нет, а есть лишь изменяющееся со временем электрическое поле, которое и создаёт магнитное поле. Однако использование этого термина удобно.

Выясним, от чего зависит ток смещения на простом примере. Рассмотрим плоский конденсатор, на обкладках которого имеются заряды q противоположного знака, равномерно распределённые по обкладкам с поверхностной плотностью, равной = q/S, где S — площадь обкладки. Внутри конденсатора возникает электрическое поле. Напряжённость этого поля равна

. (11)

Р

I_см

I_пр

+q

–q

ис. 2

Замкнём обкладки конденсатора проводником (рис. 2). Это приводит к возникновению тока проводимости в проводнике, приводящего к уменьшению заряда на обкладках конденсатора, следовательно, и к ослаблению электрического поля внутри конденсатора. Изменение электрического поля вызывает появление магнитного поля между пластинами конденсатора, обусловленного как бы током смещения силой I_cм, текущего внутри конденсатора. Сила этого тока должна равняться силе тока проводимости I_пр, поскольку электрическая цепь не имеет разветвлений. Поэтому I_cм = I_пр. Силу тока проводимости находим по формуле Подставляя в это выражениеq, найденное из (11), и вынося постоянные за знак производной, получаем силу тока смещения: Плотность тока смещения будет равна

(12)

В общем случае напряжённость электрического поля может зависеть от координат и времени. Поэтому в выражении (36.2) производную надо заменить частной производной. Тогда

(13)

и сила тока смещения через площадку S, перпендикулярную к направлению этого тока, равна

. (14)

Ток смещения может возникать не только в вакууме или диэлектрике, но и в проводниках, по которым течёт переменный ток. Однако в этом случае он пренебрежимо мал по сравнению с током проводимости.

Максвелл ввёл понятие полного тока. Сила I полного тока равна сумме сил I_пр и I_см токов проводимости и смещения, т.е. I = I_пр + I_см. Используя (14), получаем:

(15)

где S  площадь поперечного сечения проводника.