Ток смещения

Ток смещения.

Ток смещения или абсорбционный ток — величина, прямо пропорциональная скорости изменения электрической индукции. Это понятие используется в классической электродинамике. Введено Дж. К. Максвеллом при построении теории электромагнитного поля. Введение тока смещения позволило устранить противоречие  в формуле Ампера для циркуляции магнитного поля, которая после добавления туда тока смещения стала непротиворечивой и составила последнее уравнение, позволившее корректно замкнуть систему уравнений (классической) электродинамики. Строго говоря, ток смещения не является  электрическим током, но измеряется в тех же единицах, что и электрический ток.

В вакууме, а также в любом веществе, в котором можно пренебречь поляризацией либо скоростью её изменения, током смещения   (с точностью до универсального постоянного коэффициента) называется[3] поток вектора быстроты изменения электрического поля   через некоторую поверхность[4]  :

 (СИ)

 (СГС)

В диэлектриках (и во всех веществах, где нельзя пренебречь изменением поляризации) используется следующее определение:

 (СИ)

 (СГС),

где D — вектор электрической индукции (исторически вектор D назывался электрическим смещением, отсюда и название «ток смещения»)

Соответственно, плотностью тока смещения в вакууме называется величина

 (СИ)

 (СГС)

а в диэлектриках — величина

 (СИ)

 (СГС)

В некоторых книгах плотность тока смещения называется просто «током смещения».

Уравнение Максвелла.

Уравне́ния Ма́ксвелла — системауравнений в дифференциальной или интегральной форме, описывающих электромагнитное полеи его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Вместе с выражением для силы Лоренца, задающим меру воздействия электромагнитного поля на заряженные частицы, образуют полную систему уравнений классическойэлектродинамики, называемую иногда уравнениями Максвелла — Лоренца. Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом на основе накопленных к середине XIX века экспериментальных результатов, сыграли ключевую роль в развитии представлений теоретической физики и оказали сильное, зачастую решающее, влияние не только на все области физики, непосредственно связанные с электромагнетизмом, но и на многие возникшие впоследствии фундаментальные теории, предмет которых не сводился к электромагнетизму (одним из ярчайших примеров здесь может служить специальная теория относительности).

Дифференциальная форма

Уравнения Максвелла представляют собой в векторной записи систему из четырёх уравнений, сводящуюся в компонентном представлении к восьми (два векторных уравнения содержат по три компоненты каждое плюс два скалярных[28]) линейным дифференциальным уравнениям в частных производных первого порядка для 12 компонент четырёх векторных функций ( ):

Жирным шрифтом в дальнейшем обозначаются векторные величины, курсивом — скалярные.

Введённые обозначения:

•  — плотность стороннего электрического заряда (в единицах СИ — Кл/м³);

•  — плотность электрического тока (плотность тока проводимости) (в единицах СИ — А/м²); в простейшем случае — случае тока, порождаемого одним типом носителей заряда, она выражается просто как  , где   — (средняя) скорость движения этих носителей в окрестности данной точки,   — плотность заряда этого типа носителей (она в общем случае не совпадает с  )[29]; в общем случае это выражение надо усреднить по разным типам носителей;

•  — скорость света в вакууме (299 792 458 м/с);

•  — напряжённость электрического поля (в единицах СИ — В/м);

•  — напряжённость магнитного поля (в единицах СИ — А/м);

•  — электрическая индукция (в единицах СИ — Кл/м²);

•  — магнитная индукция (в единицах СИ — Тл = Вб/м² = кг•с−2•А−1);

•  — дифференциальный оператор набла, при этом:

 означает ротор вектора,

 означает дивергенцию вектора.

Приведённые выше уравнения Максвелла не составляют ещё полной системы уравнений электромагнитного поля, поскольку они не содержат свойств среды, в которой возбуждено электромагнитное поле. Соотношения, связывающие величины Е ,В ,D ,Н , и J и учитывающие индивидуальные свойства среды, называются материальными уравнениями.

Интегральная форма

При помощи формул Остроградского — Гаусса и Стокса дифференциальным уравнениям Максвелла можно придать форму интегральных уравнений:

Введённые обозначения:

•  — двумерная замкнутая в случае теоремы Гаусса поверхность, ограничивающая объём  , и открытая поверхность в случае законов Фарадея и Ампера — Максвелла (её границей является замкнутый контур  ).

•  — электрический заряд, заключённый в объёме  , ограниченном поверхностью   (в единицах СИ — Кл);

•  — электрический ток, проходящий через поверхность   (в единицах СИ — А).

При интегрировании по замкнутой поверхности вектор элемента площади   направлен из объёма наружу. Ориентация   при интегрировании по незамкнутой поверхности определяется направлением правого винта, «вкручивающегося» при повороте в направлении обхода контурного интеграла по  .

Словесное описание законов Максвелла, например, закона Фарадея, несёт отпечаток традиции, поскольку вначале при контролируемом изменении магнитного потока регистрировалось возникновение электрического поля (точнее электродвижущей силы). В общем случае в уравнениях Максвелла (как в дифференциальной, так и в интегральной форме) векторные функции   являются равноправными неизвестными величинами, определяемыми в результате решения уравнений.