§ 105. Ток смещения
Как было выяснено ранее, из явления электромагнитной индукции вытекает, что наличие в пространстве изменяющегося магнитного поля приводит к возникновению вихревого электрического поля. Основная идея Максвелла заключается в том, что между электрическим и магнитным полями имеется и обратное соотношение, т. е. что изменяющееся со временем электрическое поле должно приводить к появлению магнитного поля. Эта идея оказалась исключительно плодотворной. Разработанная Максвеллом на ее основе электромагнитная теория получила блестящее экспериментальное подтверждение.
Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим и возникающим магнитным полями Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения. Рассмотрим цепь квазистационарного переменного тока, содержащую конденсатор (Рис. 67).
Рис. 67. Образование тока смещения
Движение свободных носителей заряда, т. е. ток проводимости, имеет место во всей цепи, кроме зазора между обкладками конденсатора. Следовательно, линии тока проводимости терпят на границах обкладок разрыв. Зато в пространстве между обкладками имеется переменное электрическое поле, которое можно охарактеризовать смещением . Максвелл предположил, что линии тока проводимости непрерывно переходят на границе обкладок в линии тока, названного им током смещения.
Мгновенное
значение силы тока равно
.
Плотность тока проводимости в
непосредственной близости от поверхности
обкладок определяется выражением
,
где S – площадь обкладки, q – распределенный на ней заряд, – поверхностная плотность заряда.
Чтобы
линии тока смещения имели такую же
густоту, как и линии тока проводимости,
плотность тока смещения jсм
также должна быть равна .
Выразим jсм через
параметры электрического поля, имеющегося
в зазоре. Согласно формулам (16.19) и (8.6)
электрическое смещение в зазоре между
обкладками равно
,
откуда
.
Таким образом, нужно положить
(105.1)
Формулу, определяющую плотность тока смещения, Максвелл распространил на электрические поля любого вида, в том числе и на вихревые поля. Из всех физических свойств, присущих току проводимости, Максвелл приписал току смещения лишь одно – способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Согласно Максвеллу при расчетах магнитных полей в формулы нужно подставлять полную плотность тока, слагающуюся из плотности тока проводимости и плотности тока смещения:
(105.3)
В частности, циркуляция вектора Н по любому контуру должна быть равна
(105.4)
Уравнение (105.4) представляет собой второе основное уравнение теории Максвелла.
§ 106. Электромагнитное поле
Согласно идеям Максвелла переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, в свою очередь переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным. Таким образом, электрическое и магнитное поля оказываются неразрывно связанными друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле.
Анализ результатов фундаментального опыта Майкельсона и других опытных фактов привел Эйнштейна к заключению, что принцип относительности, установленный Галилеем для механических явлений, должен быть распространен и на все другие физические явления. Согласно принципу относительности, сформулированному Эйнштейном, законы всех физических явлений, в том числе и электромагнитных, имеют одинаковый вид (т. е. описываются одинаковыми уравнениями) во всех инерциальных системах отсчета.
Из принципа относительности вытекает, что раздельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет лишь относительный смысл. Действительно, электростатическое поле создается системой неподвижных зарядов. Однако, если заряды неподвижны относительно некоторой инерциальной системы отсчета, то относительно других инерциальных систем эти заряды движутся и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле (движущийся заряд эквивалентен току). Неподвижный провод с постоянным током создает в каждой точке пространства постоянное магнитное поле. Однако относительно других инерциальных систем этот провод находится в движении. Поэтому создаваемое им магнитное поле в любой точке с данными координатами х, у, z будет меняться и, следовательно, порождать вихревое электрическое поле. Таким образом, поле, которое относительно некоторой системы отсчета оказывается «чисто» электрическим или «чисто» магнитным, относительно других систем отсчета будет представлять собой совокупность электрического и магнитного полей.