Zdvihový proud - Displacement current

v elektromagnetismus, hustota proudu posunutí je množství D/∂t objevit se v Maxwellovy rovnice to je definováno z hlediska rychlosti změny D, pole elektrického posunu. Hustota proudu výtlaku má stejné jednotky jako hustota elektrického proudu a je zdrojem magnetické pole stejně jako skutečný proud. Nejedná se však o elektrický proud v pohybu poplatky, ale časově se měnící elektrické pole. Ve fyzických materiálech (na rozdíl od vakua) existuje také příspěvek z mírného pohybu nábojů vázaných v atomech, tzv dielektrická polarizace.

Myšlenka vznikla James Clerk Maxwell ve svém příspěvku z roku 1861 O fyzických silách, část III v souvislosti s přemístěním elektrických částic v a dielektrikum střední. Maxwell přidal posunovací proud do elektrický proud termín v Ampereův obvodový zákon. Ve svém příspěvku z roku 1865 Dynamická teorie elektromagnetického pole Maxwell použil tuto pozměněnou verzi Ampereův obvodový zákon odvodit rovnice elektromagnetických vln. Tato derivace je nyní obecně přijímána jako historický mezník ve fyzice díky spojování elektřiny, magnetismu a optiky do jediné jednotné teorie. Současný termín posunutí je nyní považován za zásadní doplněk, který dokončil Maxwellovy rovnice a je nezbytný k vysvětlení mnoha jevů, zejména existence elektromagnetické vlny.

Vysvětlení

The pole elektrického posunu je definován jako:

kde:

ε0 je permitivita volného místa
E je intenzita elektrického pole
P je polarizace média

Diferenciace této rovnice s ohledem na čas definuje hustota proudu posunutí, který má tedy dvě složky v a dielektrikum:[1](viz také část „výtlačný proud“ článku)proudová hustota ")

První výraz na pravé straně je přítomen v hmotných médiích a ve volném prostoru. Nemusí nutně pocházet ze skutečného pohybu náboje, ale má přidružené magnetické pole, stejně jako proud kvůli pohybu náboje. Někteří autoři používají jméno posuvný proud na první termín sám o sobě.[2]

Druhý člen na pravé straně, nazývaný hustota polarizačního proudu, pochází ze změny polarizace jednotlivých molekul dielektrického materiálu. Polarizace je výsledkem, když je pod vlivem aplikovaného elektrické pole se náboje v molekulách přesunuly z polohy přesného zrušení. Kladné a záporné náboje v molekulách se oddělí, což způsobí zvýšení stavu polarizace P. Měnící se stav polarizace odpovídá pohybu náboje a je tedy ekvivalentní proudu, proto termín „polarizační proud“.

Tím pádem,

Tato polarizace je posunovací proud, jak jej původně pojal Maxwell. Maxwell s vakuem nijak zvlášť nepracoval, považoval ho za hmotné médium. Pro Maxwella účinek P bylo jednoduše změnit relativní permitivita εr ve vztahu D = εrε0 E.

Níže je vysvětleno moderní odůvodnění výtlačného proudu.

Izotropní dielektrický případ

V případě velmi jednoduchého dielektrického materiálu konstitutivní vztah drží:

Kde permitivita ε = ε0 εr,

V této rovnici je použití ε účty polarizace dielektrika.

The skalární hodnota posunovacího proudu může být také vyjádřena jako elektrický tok:

Formuláře z hlediska ε jsou správné pouze pro lineární izotropní materiály. Obecněji ε mohou být nahrazeny a tenzor, může záviset na samotném elektrickém poli a může vykazovat frekvenční závislost (disperzi).

Pro lineární izotropní dielektrikum polarizace P darováno:

kde χE je známý jako elektrická citlivost dielektrika. Všimněte si, že:

Nutnost

Následují některé důsledky posunovacího proudu, které souhlasí s experimentálním pozorováním a s požadavky logické konzistence pro teorii elektromagnetismu.

Zevšeobecnění Ampereho oběžného zákona

Proud v kondenzátorech

Příklad ilustrující potřebu posunovacího proudu vyvstává v souvislosti s kondenzátory bez média mezi deskami. Zvažte nabíjecí kondenzátor na obrázku. Kondenzátor je v obvodu, který způsobuje, že se na levé a pravé desce objevují stejné a opačné náboje, které nabíjejí kondenzátor a zvyšují elektrické pole mezi jeho deskami. Žádný skutečný náboj není transportován vakuem mezi jeho deskami. Mezi deskami nicméně existuje magnetické pole, jako by tam byl také proud. Jedním z vysvětlení je, že a posuvný proud D "proudí" ve vakuu a tento proud vytváří magnetické pole v oblasti mezi deskami podle Ampereův zákon:[3][4]

Elektricky nabíjecí kondenzátor s imaginárním válcovým povrchem obklopujícím levou desku. Pravý povrch R leží v prostoru mezi deskami a levým povrchem L leží nalevo od levé desky. Žádný vodivý proud nevstupuje na povrch válce R, zatímco aktuální opouští povrch L. Důslednost Ampèrova zákona vyžaduje výtlačný proud D = Já proudit po povrchu R.

kde

  • je uzavřený linka integrální kolem nějaké uzavřené křivky C.
  • je magnetické pole měřeno v teslas.
  • je vektor Tečkovaný produkt.
  • je infinitezimální přímkový prvek podél křivky C, tj. vektor s velikostí rovnou prvku délky Ca směr daný tečnou ke křivce C.
  • je magnetická konstanta, nazývaná také propustnost volného prostoru.
  • je čistý posunovací proud, který prochází malou plochou ohraničenou křivkou C.

Magnetické pole mezi deskami je stejné jako magnetické pole mimo desky, takže posunovací proud musí být stejný jako vodivý proud ve vodičích, tj.

což rozšiřuje pojem proudu nad pouhou přepravu náboje.

Dále tento posunovací proud souvisí s nabíjením kondenzátoru. Zvažte proud na imaginární válcové ploše zobrazené kolem levé desky. Proud, řekněme , prochází ven levým povrchem L válce, ale žádný vodivý proud (žádný transport skutečných nábojů) nepřekročí pravý povrch R. Všimněte si, že elektrické pole mezi deskami E s nabíjením kondenzátoru se zvyšuje. To znamená způsobem popsaným v Gaussův zákon, za předpokladu, že mezi deskami není dielektrikum:

kde S odkazuje na imaginární válcovou plochu. Za předpokladu paralelního deskového kondenzátoru s rovnoměrným elektrickým polem a zanedbání okrajových efektů kolem okrajů desek, podle rovnice zachování náboje

kde první člen má záporné znaménko, protože náboj opouští povrch L (náboj klesá), poslední člen má kladné znaménko, protože jednotkový vektor povrchu R je zleva doprava, zatímco směr elektrického pole je zprava doleva, S je plocha povrchu R. Elektrické pole na povrchu L je nula, protože povrch L je na vnější straně kondenzátoru. Za předpokladu rovnoměrného rozložení elektrického pole uvnitř kondenzátoru je hustota proudu posunutí JD se zjistí vydělením plochou povrchu:

kde je proud opouštějící válcový povrch (který se musí rovnat D) a JD je tok náboje na jednotku plochy do válcového povrchu přes obličej R.

Kombinací těchto výsledků se magnetické pole nachází pomocí integrální formy Ampereův zákon s libovolnou volbou obrysu za předpokladu, že se k hustotě vodivého proudu přidá člen hustoty proudového proudu (rovnice Ampère-Maxwell):[5]

Tato rovnice říká, že integrál magnetického pole B kolem smyčky ∂S se rovná integrovanému proudu J přes jakýkoli povrch překlenující smyčku plus aktuální člen posunutí ε0 E / ∂t skrz povrch.

Příklad ukazující dva povrchy S1 a S2 které sdílejí stejný ohraničující obrys ∂S. Nicméně, S1 je propíchnut vodivým proudem, zatímco S2 je propíchnut výtlačným proudem. Povrch S2 je uzavřena pod deskou kondenzátoru.

Jak je znázorněno na obrázku vpravo, aktuální povrch křížení S1 je zcela vodivý proud. Aplikování Ampère-Maxwellovy rovnice na povrch S1 výnosy:

Současná plocha přechodu S2 je zcela výtlačný proud. Uplatňování tohoto zákona na povrch S2, který je ohraničen přesně stejnou křivkou , ale leží mezi deskami, produkuje:

Jakýkoli povrch S1 který protíná vodič má proud prochází to tak Ampereův zákon dává správné magnetické pole. Nicméně druhá plocha S2 ohraničené stejnou smyčkou δS mohl být tažen procházející mezi deskami kondenzátoru, a proto neměl žádný proud procházející skrz. Bez přemístění by aktuální člen Ampereův zákon poskytl nulové magnetické pole pro tento povrch. Proto, aniž by Ampereův zákon s posunovým proudem poskytoval nekonzistentní výsledky, magnetické pole by záviselo na povrchu zvoleném pro integraci. Tedy posunovací aktuální člen ε0 E / ∂t je nezbytný jako druhý zdrojový člen, který dává správné magnetické pole, když integrační povrch prochází mezi deskami kondenzátoru. Protože proud zvyšuje náboj na deskách kondenzátoru, zvyšuje se elektrické pole mezi deskami a rychlost změny elektrického pole dává správnou hodnotu pro pole B nalezeno výše.

Matematická formulace

Ve více matematickém duchu lze stejné výsledky získat z podkladových diferenciálních rovnic. Pro jednoduchost zvažte nemagnetické médium, kde relativní magnetická permeabilita je jednota a komplikace magnetizační proud (vázaný proud) chybí, takže M= 0 a J=JFProud opouštějící svazek se musí rovnat rychlosti poklesu náboje ve svazku. V diferenciální formě to rovnice spojitosti se stává:

kde levá strana je divergence hustoty volného proudu a pravá strana je míra poklesu hustoty volného náboje. Nicméně, Ampereův zákon ve své původní podobě uvádí:

což znamená, že divergence aktuálního termínu zmizí, což je v rozporu s rovnicí kontinuity. (Zmizení divergence je výsledkem matematická identita který uvádí divergenci a kučera je vždy nula.) Tento konflikt je odstraněn přidáním posunovacího proudu, jako poté:[6][7]

a

což je v souladu s rovnicí kontinuity kvůli Gaussův zákon:

Šíření vln

Přidaný posunovací proud také vede k šíření vln tím, že se zvlní rovnice pro magnetické pole.[8]

Nahrazení tohoto formuláře pro J do Ampereův zákon, a za předpokladu, že k tomu nepřispívá žádná vázaná nebo volná hustota proudu J :

s výsledkem:

Nicméně,

vedoucí k vlnová rovnice:[9]

kde se využívá vektorová identita, která platí pro jakékoli vektorové pole PROTI(r, t):

a skutečnost, že divergence magnetického pole je nulová. Stejnou vlnovou rovnici lze pro elektrické pole najít pomocí kučera:

Li J, P a ρ jsou nula, výsledek je:

Elektrické pole lze vyjádřit v obecné formě:

kde φ je elektrický potenciál (které lze zvolit k uspokojení Poissonova rovnice ) a A je vektorový potenciál (tj. potenciál magnetického vektoru, nesmí být zaměňována s povrchem, as A je označen jinde). The φ složka na pravé straně je složkou Gaussova zákona a toto je součást, která je relevantní pro výše uvedený argument zachování poplatku. Druhý člen na pravé straně je výraz vztahující se k rovnici elektromagnetických vln, protože je to výraz, který přispívá k kučera z E. Kvůli vektorové identitě, která říká kučera a spád je nula, φ nepřispívá k ∇×E.

Historie a interpretace

Maxwellův výtlačný proud byl postulován v části III jeho článku z roku 1861 'Na fyzických silách '. Několik témat v moderní fyzice způsobilo tolik zmatku a nedorozumění jako u výtlačného proudu.[10] To je částečně způsobeno skutečností, že Maxwell použil ve své derivaci moře molekulárních vírů, zatímco moderní učebnice fungují na základě toho, že ve volném prostoru může existovat výtlačný proud. Maxwellova derivace nesouvisí s moderní derivací pro výtlačný proud ve vakuu, která je založena na konzistenci mezi Ampérův zákon o oběhu pro magnetické pole a rovnici kontinuity pro elektrický náboj.

Účel Maxwella uvádí (část I, s. 161):

Navrhuji nyní zkoumat magnetické jevy z mechanického hlediska a určit, jaké napětí nebo pohyby média jsou schopné produkovat pozorované mechanické jevy.

Je opatrný, aby poukázal na to, že léčba je analogická:

Autor této metody reprezentace se nepokouší vysvětlit původ pozorovaných sil účinky způsobenými těmito deformacemi v elastickém tělese, ale využívá matematické analogie dvou problémů, aby pomohl představivosti při studiu obou .

V části III, ve vztahu k výtlačnému proudu, říká

Rotující hmotu jsem pojal jako látku určitých buněk, která je od sebe rozdělena buněčnými stěnami složenými z částic, které jsou ve srovnání s buňkami velmi malé, a že je to pohyby těchto částic a jejich tangenciálním působením na látky v buňkách, že rotace je přenášena z jedné buňky do druhé.

Je zřejmé, že Maxwell usiloval o magnetizaci, i když stejný úvod jasně hovoří o dielektrické polarizaci.

Maxwell uzavřel pomocí Newtonovy rovnice pro rychlost zvuku (Linky síly, Část III, rovnice (132)), že „světlo se skládá z příčných zvlnění ve stejném médiu, které je příčinou elektrických a magnetických jevů.“

Ale i když výše uvedené citace ukazují například na magnetické vysvětlení posunovacího proudu, založené na odlišnosti výše uvedeného kučera rovnice, Maxwellovo vysvětlení nakonec zdůraznilo lineární polarizaci dielektrik:

Tento posun ... je počátek proudu ... Velikost posunu závisí na povaze těla a na elektromotorické síle, takže pokud h je posunutí, R - elektromotorická síla a - E koeficient v závislosti na povaze dielektrika:

a pokud r je hodnota elektrického proudu v důsledku posunutí

Tyto vztahy jsou nezávislé na jakékoli teorii o mechanismu dielektrika; ale když zjistíme, že elektromotorická síla produkuje elektrický posun v dielektriku, a když zjistíme, že se dielektrikum zotavuje ze stavu elektrického posunu ... nemůžeme si pomoci, pokud jde o jevy jako ty z elastického tělesa, podléhající tlaku a obnovující jeho formu když je tlak odstraněn. - Část III - Teorie molekulárních vírů aplikovaná na statickou elektřinu , s. 14–15

S nějakou změnou symbolů (a jednotek) v kombinaci s výsledky odvozenými v sekci "Proud v kondenzátorech" : r → J, R → −E a materiálová konstanta E−24π εrε0 tyto rovnice mají známou formu mezi paralelním deskovým kondenzátorem s rovnoměrným elektrickým polem a zanedbáním okrajových efektů kolem okrajů desek:

Když přišlo na odvození rovnice elektromagnetických vln z výtlačného proudu v jeho článku z roku 1865 Dynamická teorie elektromagnetického pole, obešel problém nenulové divergence spojené s Gaussovým zákonem a dielektrickým posunem odstraněním Gaussova členu a odvozením vlnové rovnice výhradně pro vektor solenoidního magnetického pole.

Maxwellov důraz na polarizaci odklonil pozornost k elektrickému kondenzátorovému obvodu a vedl ke společné víře, že Maxwell koncipoval výtlačný proud tak, aby udržoval zachování náboje v elektrickém kondenzátorovém obvodu. O Maxwellově myšlení existuje celá řada diskutabilních představ, od jeho předpokládané touhy po zdokonalení symetrie polních rovnic až po touhu dosáhnout kompatibility s rovnicí kontinuity.[11][12]

Viz také

Reference

  1. ^ John D Jackson (1999). Klasická elektrodynamika (3. vyd.). Wiley. p.238. ISBN  978-0-471-30932-1.
  2. ^ Například viz David J Griffiths (1999). Úvod do elektrodynamiky (3. vyd.). Pearson / Addison Wesley. p.323. ISBN  978-0-13-805326-0. a Tai L Chow (2006). Úvod do elektromagnetické teorie. Jones & Bartlett. p. 204. ISBN  978-0-7637-3827-3.
  3. ^ Stuart B. Palmer, Mircea S. Rogalski (1996). Pokročilá univerzitní fyzika. Taylor & Francis. p. 214. ISBN  978-2-88449-065-8.
  4. ^ Raymond A. Serway, John W. Jewett (2006). Principy fyziky. Thomson Brooks / Cole. p. 807. ISBN  978-0-534-49143-7.
  5. ^ Feynman, Richard P .; Robert Leighton; Matthew Sands (1963). Feynmanovy přednášky z fyziky, sv. 2. Massachusetts, USA: Addison-Wesley. str. 18–4. ISBN  978-0-201-02116-5.
  6. ^ Raymond Bonnett, Shane Cloude (1995). Úvod do šíření elektromagnetických vln a antén. Taylor & Francis. p. 16. ISBN  978-1-85728-241-2.
  7. ^ JC Slater a NH Frank (1969). Elektromagnetismus (Dotisk z roku 1947 vyd.). Publikace Courier Dover. p. 84. ISBN  978-0-486-62263-7.
  8. ^ JC Slater a NH Frank (1969). Elektromagnetismus (op. cit. vyd.). p. 91. ISBN  978-0-486-62263-7.
  9. ^ J Billingham, král C (2006). Wave Motion. Cambridge University Press. p. 182. ISBN  978-0-521-63450-2.
  10. ^ Daniel M. Siegel (2003). Inovace v Maxwellově elektromagnetické teorii. Cambridge University Press. p. 85. ISBN  978-0-521-53329-4.
  11. ^ Paul J. Nahin (2002). Oliver Heaviside: Život, dílo a doba elektrického génia viktoriánské doby. Johns Hopkins University Press. p. 109. ISBN  978-0-8018-6909-9.
  12. ^ Vyacheslav Stepin (2002). Teoretické znalosti. Springer. p. 202. ISBN  978-1-4020-3045-1.

Maxwellovy papíry

Další čtení

  • AM Bork Maxwell, zdvihový proud a symetrie (1963)
  • AM Bork Maxwell a rovnice elektromagnetických vln (1967)