Výtlačný proud (elektrodynamika)

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 28. dubna 2018; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Výtlakový proud neboli absorpční proud je hodnota přímo úměrná rychlosti změny elektrické indukce . Tento koncept se používá v klasické elektrodynamice . Zavedl J. C. Maxwell při konstrukci teorie elektromagnetického pole .

Zavedení posuvného proudu umožnilo odstranit rozpor [1] v Amperově vzorci pro cirkulaci magnetického pole , který se po přičtení posuvného proudu tam stal konzistentním a vytvořil poslední rovnici, která umožnila správně uzavřít soustavu rovnic (klasické) elektrodynamiky.

Existence předpětí vyplývá i ze zákona zachování elektrického náboje [2] .

Přísně vzato, posuvný proud není [3] elektrický proud , ale měří se ve stejných jednotkách jako elektrický proud.

Přesná formulace

Ve vakuu, stejně jako v jakékoli látce, ve které lze polarizaci nebo rychlost její změny zanedbat, se posuvný proud (až do univerzálního konstantního koeficientu) nazývá [4] tok vektoru rychlosti změny elektrického pole přes a určitý povrch [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 )

V dielektrikách (a ve všech látkách, kde nelze zanedbat změnu polarizace) se používá následující definice:

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

( SI )

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

( GHS )

kde D je vektor elektrické indukce (historicky se vektor D nazýval elektrický posun, odtud název „vysouvací proud“)

V souladu s tím je veličinou hustota posuvného proudu ve vakuu

{\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 )

a v dielektriku - hodnota

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

( SI )

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

( GHS )

V některých knihách je hustota zkreslení jednoduše označována jako „předpětí“.

Výtlačný proud a vodivý proud

V přírodě lze rozlišit dva typy proudů: proud vázaných nábojů a vodivý proud .

Proud vázaných nábojů je pohyb průměrných poloh vázaných elektronů a jader, které tvoří molekulu, vzhledem ke středu molekuly.

Vodivostní proud je řízený pohyb volných nábojů (například iontů nebo volných elektronů) na velké vzdálenosti. V případě, že tento proud neprotéká látkou, ale volným prostorem, často se místo termínu „vodivý proud“ používá termín „přenosový proud“. Jinými slovy, přenosový proud nebo konvekční proud je způsoben přenosem elektrických nábojů ve volném prostoru nabitými částicemi nebo tělesy při působení elektrického pole.

V Maxwellově době bylo možno vodivostní proud experimentálně registrovat a měřit (např . ampérmetrem , kontrolkou), zatímco pohyb vázaných nábojů v dielektriku bylo možné odhadovat pouze nepřímo.

Součet proudu vázaných nábojů a rychlosti změny toku elektrického pole se v dielektrikách nazýval posuvný proud.

Když je stejnosměrný obvod přerušený a je k němu připojen kondenzátor , v otevřeném obvodu není žádný proud. Když je takový otevřený obvod napájen ze zdroje střídavého napětí, je v něm zaznamenán střídavý proud ( při dostatečně vysoké frekvenci a kapacitě kondenzátoru se rozsvítí lampa zapojená do série s kondenzátorem). K popisu „průchodu“ střídavého proudu kondenzátorem (nespojitost ve stejnosměrném proudu) zavedl Maxwell koncept posuvného proudu.

Posuvný proud existuje i ve vodičích, kterými protéká střídavý vodivý proud, ale v tomto případě je ve srovnání s vodivým proudem zanedbatelný. Přítomnost posuvných proudů experimentálně potvrdil ruský fyzik A. A. Eikhenvald , který studoval magnetické pole polarizačního proudu, který je součástí posuvného proudu. Obecně platí, že vodivé proudy a posuny v prostoru nejsou odděleny, jsou ve stejném objemu. Proto Maxwell zavedl koncept celkového proudu , který se rovná součtu kondukčních proudů (stejně jako konvekčních proudů) a výchylky. Celková proudová hustota:

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

kde j je vodivostní proudová hustota, j D je posuvná proudová hustota [6] .

V dielektriku (například v dielektriku kondenzátoru) a ve vakuu nejsou žádné vodivé proudy. Proto se v tomto konkrétním případě výše uvedený Maxwellův vzorec redukuje na:

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

Poznámky

↑ V magnetostatice tento rozpor neexistoval, protože v ní jsou všechny proudy (uměle) vnuceny podmínkou stálosti a uzavření proudů ( solenoidalita pole proudové hustoty). V obecném případě střídavých proudů, se kterými se Maxwell setkal, může být proud „otevřený“, to znamená, že například může (po nějakou dobu) protékat drátem, aniž by překračoval jeho konce, na kterých se jednoduše hromadí náboje. Poté, když v Ampérově větě vybereme dvě různé plochy natažené přes stejnou konturu, ale jednu z nich bude drát protínat, a druhou (kterou ohneme tak, aby procházela již za koncem drátu) - ne, dostaneme dva různé výrazy pro proud, který by se měl rovnat stejné hodnotě cirkulace magnetického pole. To znamená, že se dostáváme k jasnému rozporu, který ukazuje potřebu opravit vzorec, jehož metodu našel Maxwell, nahrazení proudu v těch oblastech prostoru, kde neteče, proudem posuvným.
↑ Ya.B. Zeldovich, M.Yu. Khlopov. Výtlačný proud a zachování náboje (1988). Získáno 27. ledna 2016. Archivováno z originálu 29. listopadu 2019. (neurčitý)
↑ pro vakuové pouzdro; pro případ dielektrika by bylo přesnější říci, že posuvný proud není celý elektrický proud, ale pouze ta jeho část, která je spojena s polarizací dielektrika - tedy pohybem skutečných vázaných nábojů . v molekulách dielektrika.
↑ Za podmínky, že integrační plocha je pevná (nepohyblivá), nebo alespoň její okraj je konstantní (nebo neexistuje žádná hrana, to znamená, že pro všechny uzavřené plochy lze derivaci ve vzorcích níže samozřejmě z derivace vyjmout operátor mimo znaménko integrálu, například: , získání identické (za této podmínky ) formulace: posuvný proud (až do univerzálního konstantního koeficientu) je rychlost změny toku elektrického pole povrchem - pro vakuum, a podobné formulace pro všechny případy popsané v článku. $\int _{s}{\frac {\partial }{\partial t}}{\mathbf {E}}\cdot {\mathbf {ds}}={\frac {\partial }{\partial t}}\ int _{s}{\mathbf {E}}\cdot {\mathbf {ds}}$
↑ Stejným způsobem jako obyčejný proud se nazývá proudová hustota toku určitým povrchem (například průřezem vodiče): $J$ $J=\int _{s}{\mathbf {j}}\cdot {\mathbf {ds}}$
↑ Někdy se k označení vodivostního proudu a posuvného proudu používá ne index, ale různá písmena: i a j, v tomto pořadí.