Електромагнітна
індукція
Електродинамічні
взаємодія
«Якщо який-небудь заряд перемістився з однієї точки в
іншу, то, очевидно, сили, що діють з боку цього заряду на інші заряди,
зміняться. При безперервному русі заряду ці сили також повинні мінятися
безперервно, а проте, якщо поширення дії заряду відбувається з кінцевою
швидкістю, ця зміна буде відставати від переміщення заряду, що призводить до
значного ускладнення теорії дії електричних сил. Щоб врахувати
специфічні ефекти, що виникають при наявності рухомих зарядів, вводиться
додаткова характеристика, яку ми і назвали індукцією магнітного поля.
Введення цієї характеристики дозволяє істотно спростити всю теорію
електричних явищ і не замислюватися про те, що електричне вплив
поширюється в просторі з кінцевою швидкістю. Тому що доводиться
користуватися двома поняттями: напруженістю електричного поля і індукцією магнітного
поля, - то явища, які ми будемо надалі вивчати, отримали загальне
назва електромагнітні явища. Таким чином, відомі ще зі шкільного
курсу магнітні сили представляють не що інше, як прояв електричних
дій, викликаних рухомими зарядами. У природі не існує ніяких
особливих магнітних зарядів, а є тільки електричні заряди двох типів,
умовно звані позитивними і негативними. На закінчення зазначимо, що в
вираженні для сили Лоренца не випадково стоїть коефіцієнт с. Його значення
відповідає швидкості світла у вакуумі, а це якраз та сама максимальна
швидкість, з якою може поширюватися електричне поле заряду,
що виник в даній точці простору. "
Основи фізики. Л. А. Грибов, Н. І. Прокоф 'єв. 1995. С.250.
(§ 7.1)
Тобто у виразі для сили Лоренца (система СГС)
коефіцієнт с - це швидкість розповсюдження змін (зсувів)
електричного поля, які у вигляді струмів зміщення супроводжують рух
зарядів. З виразу видно, що якщо б зміни поля поширювалися
миттєво, то ніякої сили Лоренца (релятивістського ефекту) не виникало б.
«... виникнення магнітного поля є чисто
релятивістським ефектом, наслідком наявності в природі граничної швидкості с,
рівною швидкості світла у вакуумі. Якщо б ця швидкість була нескінченною
(відповідно і швидкість поширення взаємодій), ніякого магнетизму
взагалі не існувало б. "
Електромагнетизм. І. Е. Іродів. 2000. С.225.
Магнітне поле можна розглядати як релятивістський
ефект (ефект руху), пов'язаний із запізненням розповсюдження
електричного зміщення поля, тобто магнітні поля представляють
поширюються електричні зміщення поля. Відповідно до формули перетворення
полів B = m0 [vD] , магнітні поля - це рухомі електричні
потоки. Таким чином, магнітну енергію можна трактувати як кінетичну
енергію рухомих електричних потоків WМ = Mеv2
sin2a, де Mе - маса електричного потоку, v - швидкість
руху, a - кут між напрямком руху і вектором D .
« B = - [vE] /c2
»
Електромагнетизм. І. Е. Іродів. 2000. С.227.
«Магнітне поле як релятивістський ефект. До цих пір
ми розглядали магнітне поле як реальність, користуючись для його виявлення
магнітної стрілки. У § 7.1 говорилося, що рухомі заряди взаємодіють
між собою не так, як нерухомі: позначається запізнювання передачі
впливу одного з них на інший за посередництвом електричних полів.
Проте детально це питання не розглядалося. Постійні магнітні поля
створюються постійними струмами. Картина виходить стаціонарною, і, здавалося б,
ніякого запізнювання враховувати не треба. »
Основи фізики. Л. А. Грибов, Н. І. Прокоф 'єв. 1995. С.298.
«Будь-яке обурення в просторі поширюється зі
швидкістю не вище швидкості світла. Зокрема, електричне поле при зсуві
точкового заряду не просто переміститься разом із зарядом, як у випадку
нескінченно великій швидкості розповсюдження поля, а змінюється більш складним
чином. Виникають ефекти, пов'язані із запізненням появи поля на великих
відстанях від заряду, які можуть бути описані введенням індукції магнітного
поля. »
Основи фізики. Л. А. Грибов, Н. І. Прокоф 'єв. 1995. С.300.
Під час руху заряду виникають ефекти, пов'язані з
запізненням поширення електричного зміщення поля, тобто в просторі
виникають поширюються зі швидкістю світла зміщення поля.
Сьогодні вже не викликає сумніву той факт, що
магнітних зарядів не існує, а магнітне поле виникає як чисто
релятивістський ефект, але ще недостатньо розглянуто сам механізм його
виникнення. Постараюсь наочно, наскільки це можливо, описати
електродинамічні процеси, що протікають при русі електричних зарядів.
Збурення поля не поширюються миттєво, для
виникнення обурення потрібен певний час. Під час руху заряду
обурення поля (електричне зміщення), виникаючи в тому місці, куди
перемістився заряд, і одночасно зникаючи в тому місці, звідки він перемістився,
утворює в просторі об'ємні струми електричного зміщення, які мають зворотну
напрямок. Приклади розрахунків зворотних струмів зміщення наведені в підручниках.
«Приклад. Точковий заряд q рухається рівномірно і
прямолінійно з нерелятівістской швидкістю v. Знайти вектор густини струму
зміщення в точці P, що знаходиться на відстані r від заряду на прямій,
перпендикулярній його траєкторії і проходить через заряд. Рішення. jсм
= -qv/4pr3. »
Електромагнетизм. І. Е. Іродів. 2000. С.302.
Наприклад, за межами радіусу r від рухомого
точкового заряду тече зворотний струм зміщення:
Iсм = -qv/2r.
Тобто, якщо заряд в 1 Кл рухається зі швидкістю 2 м/с,
то за межами радіуса в 1 м тече зворотний струм зміщення силою в 1 А,
щільність ж зворотного струму зсуву на відстані 1 м дорівнює 0.16 А/м2.
Знак мінус у формулі означає, що струм зміщення тече у зворотному напрямку.
Попереду ж і позаду рухомого заряду течуть прямі струми зміщення, їх
щільність: jсм = qv/2pr3.
Повний струм дорівнює сумі струму провідності і струму зміщення. При цьому струм зміщення
виникає незалежно від того, чи рухається заряд самостійно або, наприклад,
по провіднику, де струм зміщення поширюється в просторі за межами
провідника і, якщо поряд знаходиться інший провідник, то в ньому зворотний струм
зміщення буде переходити в струм провідності - це явище називається
електромагнітної індукцією.
«... струм зміщення за своєю суттю - це змінюється з
часом електричне поле. »
Курс фізики. Т. И. Трофимова. 1998. С.250.
Тому для струму зміщення, як і для поля, діє
принцип суперпозиції (для будь-якого струму діє принцип суперпозиції), тобто,
якщо рухаються кілька зарядів, то їх зворотні струми зміщення складаються в
просторі згідно з принципом суперпозиції. Наприклад, електромагнітна хвиля
представляє періодично змінюється поле (змінний струм зсуву) --
складання хвиль відбувається згідно з принципом суперпозиції.
Під час руху заряду в просторі змінюється
електричне зміщення поля, тобто утворюється вихровий електричне поле --
змінний струм зміщення. При постійному спрямованому русі електричних
зарядів відбувається суперпозиція струмів зміщення, які представляють безперервно
поширюються обурення поля, і в навколишньому просторі виникає
постійний зворотний струм зміщення. Наприклад, щільність зворотного постійного
струму зміщення навколо тонкого прямого проводу нескінченної довжини:
jсм = -I/2pr2,
де r - відстань від осі проводу, I - постійний струм
в проводі.
«... кожен заряд збуджує поле, зовсім не
залежне від наявності інших зарядів. »
Загальний курс фізики. Електрика. Д. В. Сивухин. 1996.
Т.3. Ч.2. С.204.
Що відображає принцип суперпозиції полів - польових
потоків. Тобто незалежно від того рухається заряд самостійно або, наприклад, в
провіднику, завжди в навколишньому просторі разом з ним рухається
електричний потік (потік електричного зміщення), що представляє зворотний
ток електричного зміщення.
«Струм зміщення входить в рівняння Максвелла на рівних
правах з струмом, обумовленим рухом зарядів. »
Фізичний енциклопедичний словник. ЕЛЕКТРИЧНИЙ
ТОК.
«Струм зміщення, на відміну від струму провідності, не
супроводжується виділенням теплоти. »
Довідник з фізики. Б. М. Яворський, А. А. Детлаф. 1996.
С.290.
Тобто електричний струм зміщення тече без
опору, так як вакуум представляє ідеальний діелектрик. Електрична
напруженість поля виникає тільки при зміні струму зміщення як вихровий
електричне поле.
Іноді помилково вважається, що струм зміщення завжди
пов'язаний з вихровим електричним полем, але це невірно, тому що, якщо струм
зміщення постійний, вихровий електричне поле відсутнє. Вихровий електричне
поле - це вихровий потік електричного зміщення поля, тобто змінний струм
зміщення. Розглянемо такий приклад: якщо між обкладинками конденсатора помістити
рамку, а в конденсаторі на якийсь період часу стабілізувати струм, зробивши
його постійним, то кругового струму в рамці при будь-якому її положенні не буде,
незважаючи на те, що між обкладинками конденсатора буде текти постійний струм
зміщення (буде постійне магнітне поле). Таким чином, вихровий
електричне поле виникає при зміні щільності струму зміщення, наприклад,
коли струм зміщення між обкладинками конденсатора зростає або зменшується,
тобто відсутність вихрового електричного поля не говорить про те, що струм
зміщення відсутній. З іншого боку, виникнення вихрового електричного
поля завжди вказує на те, що в просторі змінюється щільність струму
зміщення. Наприклад, виникнення вихрового електричного поля при включенні і
виключенні електромагніту говорить про те, що струм зміщення при включенні
зростає, а при виключенні зменшується. У період, коли магнітне поле не
змінюється, щільність струму зміщення також не змінюється і, відповідно, немає
вихрового електричного поля, тому постійне магнітне поле не діє
на що спочивають електричні заряди.
Введення Максвелом струму зміщення не тільки дозволило
передбачити існування електромагнітних хвиль, але й дало можливість зрозуміти
фізичну сутність електромагнітних явищ, тобто наочно представити
електродинаміку процесів, що протікають в польової матерії, так як будь-які
зміни поля завжди пов'язані з струмами зміщення. Таким чином, лініями
електричного струму зсуву можна досить наочно представити
електродинаміку польових процесів. У книгах з електродинаміки хоча і
говориться, що при русі зарядів у навколишньому просторі течуть струми
зміщення, але, на жаль, ні одного малюнка, наочно зображує цей
процес, так і не вдалося знайти.
Розглянемо струми зсуву, що виникають при русі
електричних зарядів.
-----| |----->------
.-->--. | .----.
| | /
| |/| |
| | |
| | | | |
`----'
| `--
