Что такое ток смещения и ток проводимости
Содержание
Максвелл, выстраивая теорию электромагнитного поля, выдвинул гипотезу, что его возникновение связано не только с движением зарядов, но и с временными изменениями электрического поля. Чтобы объяснить количественные соотношения между изменяющимся электрическим полем и создаваемым им магнитным полем, ученый ввел такое понятие, как токи смещения. Они не выделяют джоулевой теплоты, но могут создавать магнитное поле.
Природа токов смещения
В природе существуют токи двух видов: проводимости и связанных зарядов. В последнем случае ток возникает в результате перемещения электронов и ядер внутри молекулы. Током проводимости называют направленное перемещение свободных зарядов на большие расстояния. Иначе говоря, этот ток обусловлен движением зарядов под действием электрического поля. Чем сильнее поле, тем большей силы будет ток.
Ток абсорбции или смещения в отличие от электротока проводимости не подчиняется законам, составляющим основу электротехники, в частности закону Ома. Он не пропорционален электрическому полю и проводимости среды (ток смещения зависит от диэлектрической проницаемости). Ток смещения (ТС) — это определение физической величины, пропорциональной скорости изменения электрической индукции. Основная функция ТС — обеспечение непрерывности линий электротока.
Свойства тока смещения в конденсаторе
Судя по исследованиям электрической цепи, включающей конденсатор, переменный ток через этот элемент проходит, а постоянный — нет. При подключении постоянного напряжения ток вначале растёт, а после медленно понижается, асимптотически приравниваясь к какой-то определённой величине. Неожиданный рост амплитуды сначала и постепенное ее понижение происходит из-за электрического смещения. Это связано с тем, что внутри емкости имеется диэлектрик. Наличие в цепи переменного тока Максвелл также связал с тем, что в обкладках конденсатора появляется ток смещения или абсорбционный ток.
Исходя из непрерывности линий электрического тока на границе проводник-конденсатор, можно сказать, что ток проводимости переходит в ток смещения. Для определения значения тока проводимости используется формула:
Для поиска производной dq/dt обкладка конденсатора окружается случайным замкнутым контуром S, также используется теорема Гаусса для вектора индукции:
Если продифференцировать данную формулу по t, получим выражение, позволяющее вычислить ток смещения в диэлектрике конденсатора:
Если учесть, что , то получается, что величина плотности тока смещения равняется той скорости, с которой изменяется электромагнитное поле внутри конденсатора:
Плотность тока смещения в вакууме находится по другой формуле:
Закон полного тока
Наряду с ТС Максвелл ввел еще одно понятие — полный ток.
Плотность полного тока в зоне пространства, где есть токи проводимости и переменное поле, находится так:
У слагаемых данного уравнения могут быть одинаковые знаки или разные. Поэтому плотность может равняться нулю, быть больше или меньше тока проводимости.
По мысли Максвелла теорема о циркуляции векторов Н или В должна включать полный ток, который охватывается случайным контуром. Таким образом,
Такое уравнение считается законом полного тока в описании Максвелла. Отсюда напрашивается вывод, что изменяющееся поле создаст изменяющееся магнитное поле.
Согласно выводам Максвелла, взаимосвязь между изменяющимся электрическим и магнитным полем можно описать системой уравнений:
В физическом сообществе не сразу были приняты представления Максвелла о ТС и электромагнитных волнах. Сам ученый не дожил до триумфа своих уравнений. Что ТС существует, пришлось признать после экспериментов Генриха Герца, наглядно показавших распространение электромагнитных волн через слой диэлектрика и пустое пространство.
Ток смещения в современной радиоэлектронике
Термин ТС в практической радиоэлектронике имеет абсолютно другой смысл и никак не связан с максвелловскими уравнениями. Для электронного прибора в качестве напряжения смещения выступает постоянное напряжение, которое прикладывается к управляемому электроду с целью достижения необходимого режима по постоянному току. Через прибор при этом проходит постоянный анодный ток, именно его и называют током смещения. Для операционного усилителя (ОУ), мощного генератора радиочастот, силовых ключей в состоянии покоя ТС равен нулю.
Загрузка...
