Forskydningsstrøm (elektrodynamik)

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 28. april 2018; checks kræver 3 redigeringer .

Forskydningsstrøm eller absorptionsstrøm er en værdi, der er direkte proportional med ændringshastigheden af elektrisk induktion . Dette koncept bruges i klassisk elektrodynamik . Introduceret af J.C. Maxwell i konstruktionen af teorien om det elektromagnetiske felt .

Indførelsen af forskydningsstrømmen gjorde det muligt at eliminere modsigelsen [1] i Ampere-formlen for magnetfeltets cirkulation , som, efter at have tilføjet forskydningsstrømmen dér, blev konsistent og dannede den sidste ligning, som gjorde det muligt at luk ligningssystemet for (klassisk) elektrodynamik korrekt.

Eksistensen af en forspændingsstrøm følger også af loven om bevarelse af elektrisk ladning [2] .

Strengt taget er forskydningsstrøm ikke [3] elektrisk strøm , men måles i de samme enheder som elektrisk strøm.

Præcis formulering

I et vakuum, såvel som i ethvert stof, hvor polarisering eller hastigheden af dens ændring kan negligeres, kaldes forskydningsstrømmen (op til en universel konstant koefficient) [4] strømmen af det elektriske felts ændringshastighedsvektor gennem en bestemt overflade [5] : $J_{D}$ $\partial {\mathbf E}/\partial t$ $s$

J_{D}=\varepsilon _{0}\int _{s}{\frac {\partial {\mathbf {E))}{\partial t))\cdot {\mathbf {ds))

( SI )

J_{D}={\frac {1}{4\pi }}\int _{s}{\frac {\partial {\mathbf {E}}}{\partial t}}\cdot {\mathbf {ds }}

( GHS )

I dielektrikum (og i alle stoffer, hvor polarisationsændringer ikke kan negligeres), anvendes følgende definition:

J_{D}=\int _{s}{\frac {\partial {\mathbf {D))}{\partial t))\cdot {\mathbf {ds))

( SI )

J_{D}={\frac {1}{4\pi }}\int _{s}{\frac {\partial {\mathbf {D}}}{\partial t}}\cdot {\mathbf {ds }}

( GHS )

hvor D er vektoren for elektrisk induktion (historisk set blev vektoren D kaldt elektrisk forskydning, deraf navnet "forskydningsstrøm")

Følgelig er forskydningsstrømtætheden i vakuum mængden

{\mathbf {j_{D))}=\varepsilon _{0}{\frac {\partial {\mathbf {E))}{\partial t))

( SI )

{\mathbf {j_{D}}}={\frac {1}{4\pi }}{\frac {\partial {\mathbf {E}}}{\partial t}}

( GHS )

og i dielektrik - værdien

{\mathbf {j_{D))}={\frac {\partial {\mathbf {D))}{\partial t))

( SI )

{\mathbf {j_{D}}}={\frac {1}{4\pi }}{\frac {\partial {\mathbf {D}}}{\partial t}}

( GHS )

I nogle bøger omtales forspændingsstrømtætheden blot som "forspændingsstrøm".

Forskydningsstrøm og ledningsstrøm

I naturen kan der skelnes mellem to typer strømme: strøm af bundne ladninger og ledningsstrøm .

Strømmen af bundne ladninger er bevægelsen af de gennemsnitlige positioner af de bundne elektroner og kerner, der udgør molekylet i forhold til midten af molekylet.

Ledningsstrøm er den rettede bevægelse over lange afstande af frie ladninger (for eksempel ioner eller frie elektroner). I tilfælde af at denne strøm ikke løber i et stof, men i det frie rum, bruges udtrykket "overførselsstrøm" ofte i stedet for udtrykket "ledningsstrøm". Med andre ord skyldes overførselsstrømmen eller konvektionsstrømmen overførsel af elektriske ladninger i frit rum af ladede partikler eller legemer under påvirkning af et elektrisk felt.

På Maxwells tid kunne ledningsstrøm eksperimentelt registreres og måles (f.eks. med et amperemeter , indikatorlampe), mens bevægelsen af bundne ladninger i dielektrikum kun kunne estimeres indirekte.

Summen af strømmen af bundne ladninger og ændringshastigheden i strømmen af det elektriske felt blev kaldt forskydningsstrømmen i dielektrikum.

Når DC -kredsløbet er brudt, og der er tilsluttet en kondensator , er der ingen strøm i det åbne kredsløb. Når et sådant åbent kredsløb drives fra en vekselspændingskilde, optages en vekselstrøm i den ( ved en tilstrækkelig høj frekvens og kapacitans af kondensatoren lyser en lampe forbundet i serie med kondensatoren). For at beskrive "passagen" af vekselstrøm gennem en kondensator (diskontinuitet i jævnstrøm), introducerede Maxwell begrebet forskydningsstrøm.

Forskydningsstrømmen findes også i ledere, hvorigennem en vekselledningsstrøm løber, men i dette tilfælde er den ubetydelig sammenlignet med ledningsstrømmen. Tilstedeværelsen af forskydningsstrømme blev bekræftet eksperimentelt af den russiske fysiker A. A. Eikhenvald , som studerede magnetfeltet af polarisationsstrømmen, som er en del af forskydningsstrømmen. I det generelle tilfælde er ledningsstrømmene og forskydninger i rummet ikke adskilt, de er i samme volumen. Derfor introducerede Maxwell begrebet totalstrøm , lig med summen af ledningsstrømme (såvel som konvektionsstrømme) og forskydning. Samlet strømtæthed:

{\mathbf j}_{\Sigma }={\mathbf j}+{\mathbf j}_{D}={\mathbf j}+{\frac {\partial {\mathbf D)){\partial t} },

hvor j er ledningsstrømtætheden, j D er forskydningsstrømtætheden [6] .

I et dielektrikum (for eksempel i et dielektrikum i en kondensator) og i et vakuum er der ingen ledningsstrømme. Derfor reducerer Maxwell-formlen ovenfor i dette særlige tilfælde til:

{\mathbf j}_{\Sigma }={\mathbf j}_{D}={\frac {\partial {\mathbf D)){\partial t))

Noter

↑ I magnetostatik eksisterede denne modsigelse ikke, da alle strømme i den er (kunstigt) påført af betingelsen om konstant og lukning af strømme ( solenoidalitet af strømtæthedsfeltet). I det generelle tilfælde af vekselstrømme, som Maxwell stødte på, kan strømmen være "åben", det vil sige, at den for eksempel (i nogen tid) kan flyde i en ledning uden at gå ud over dens ender, hvorpå ladninger blot vil samle sig. Så vælger man i Ampères sætning to forskellige overflader strakt over den samme kontur, men hvoraf den ene vil skære tråden, og den anden (som vi vil bøje, så den passerer allerede bag enden af tråden) - nej, vi får to forskellige udtryk for strøm, som skal være lig med samme værdi af magnetfeltcirkulationen. Det vil sige, at vi kommer til en klar modsigelse, som viser behovet for at korrigere formlen, den metode, som Maxwell fandt, og erstatter strømmen i de områder af rummet, hvor den ikke flyder, med en forskydningsstrøm.
↑ Ya.B. Zeldovich, M.Yu. Khlopov. Forskydningsstrøm og bevarelse af ladning (1988). Hentet 27. januar 2016. Arkiveret fra originalen 29. november 2019. (ubestemt)
↑ til vakuumkasse; i tilfælde af et dielektrikum ville det være mere præcist at sige, at forskydningsstrømmen ikke er hele den elektriske strøm, men kun den del af den, der er forbundet med dielektrikumets polarisering - det vil sige bevægelsen af reelle bundne ladninger i dielektrikumets molekyler.
↑ Under den betingelse, at integrationsfladen er fast (ubevægelig), eller i det mindste dens kant er konstant (eller der ikke er nogen kant, dvs. for alle lukkede overflader, kan den afledede i formlerne nedenfor naturligvis tages ud af den afledte operatør uden for integraletegnet, for eksempel: , opnåelse af den identiske (under denne betingelse ) formuleringen: forskydningsstrømmen (op til en universel konstant koefficient) er ændringshastigheden i det elektriske feltflux gennem overfladen - for vakuum, og lignende formuleringer for alle tilfælde beskrevet i artiklen. $\int _{s}{\frac {\partial }{\partial t}}{\mathbf {E}}\cdot {\mathbf {ds}}={\frac {\partial }{\partial t}}\ int _{s}{\mathbf {E}}\cdot {\mathbf {ds}}$
↑ På samme måde som almindelig strøm kaldes strømtætheden gennem en bestemt overflade (for eksempel gennem en ledersektion): $J$ $J=\int _{s}{\mathbf {j}}\cdot {\mathbf {ds}}$
↑ Nogle gange bruges ikke et indeks, men forskellige bogstaver til at betegne ledningsstrømmen og forskydningsstrømmen: henholdsvis i og j.