Электромагнитная индукция (стр. 2 из 4)
Введение Максвеллом тока смещения не только позволило предсказать существование электромагнитных волн, но и дало возможность понять физическую сущность электромагнитных явлений, т.е. наглядно представить электродинамику процессов, протекающих в полевой материи, так как любые изменения поля всегда связаны с токами смещения. Таким образом, линиями электрического тока смещения можно достаточно наглядно представить электродинамику полевых процессов. В книгах по электродинамике хотя и говорится, что при движении зарядов в окружающем пространстве текут токи смещения, но, к сожалению, ни одного рисунка, наглядно изображающего этот процесс, так и не удалось найти.
Рассмотрим токи смещения, возникающие при движении электрических зарядов.
 | <-- Обратный ток электрического смещения |
| Движущийся положительный заряд ----> | |
| <-- Обратный ток электрического смещения |
На рисунке знаком (+) обозначена область, куда переместился положительный заряд и где возникает возмущение (электрическое смещение поля), т.е. распространяется положительное электрическое возмущение поля. Знаком (-) обозначена область, где раньше был заряд и где исчезает возмущение, т.е. распространяется отрицательное возмущение. Обратные токи смещения, образованные распространением двух разноименных областей возмущения, возникающих при движении заряда, изображены линиями токов смещения, стрелки - направление токов как векторная сумма распространяющихся возмущений от двух разноименных областей. Надо заметить, что ток смещения "стекает" в (-)-область, хотя возмущение распространяется из (-)-области (аналогия с током проводимости, где отрицательно заряженные электроны движутся в одну сторону, но принято считать, что ток течет в обратном направлении). Распространение возмущения из (+)-области совпадает с направлением тока смещения. Токи смещения, порожденные движущимися зарядами, как и возмущения поля, распространяются в пространстве независимо от источников с одной и той же скоростью, равной скорости света, поэтому для них действует принцип суперпозиции, т.е. надо отдельно рассматривать каждый движущийся заряд, а потом суммировать все токи смещения, которые их сопровождают, на основе принципа суперпозиции. При движении цепочки зарядов поперечные токи смещения, имеющие встречное направление, взаимонейтрализуются, образуя постоянный обратный ток смещения, при этом также взаимонейтрализуется электрическая напряженность поля, связанная с токами смещения.
 | <-- Обратные токи смещения |
| Движущиеся заряды ---> | |
| <-- Обратные токи смещения | |
| <-- Обратный ток смещения | |
| Ток проводимости ---> | |
| <-- Обратный ток смещения |
Ток проводимости представляет собой движение зарядов, поэтому в окружающем пространстве, согласно принципу суперпозиции, возникает обратный ток смещения, создаваемый движущимися зарядами. Когда ток течет по витку, то в окружающем пространстве возникает круговой ток смещения, имеющий обратное направление. При изменении тока смещения образуется вихревое электрическое поле. Если рядом с витком тока расположить, например, сверхпроводящий контур, то в нем за счет обратного объемного тока электрического смещения синхронно, но в обратном направлении возникает индукционный ток.
«... вихревое поле без каких бы то ни было добавочных сил может вызвать непрерывное течение электричества по замкнутым проводам. Это течение и наблюдается в виде индукционных токов.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.252.
Также самоиндукция связана с обратными токами смещения, с запаздыванием распространения возмущений. При остановке зарядов обратные токи смещения, еще некоторое время продолжая течь (как возмущения поля), воздействуют на заряды.
Чтобы не задумываться о том, что электрическое воздействие (возмущение) распространяется в пространстве с конечной скоростью, вводятся линии магнитной индукции и рассматривается взаимодействие с ними электрических токов. Линии магнитной индукции не являются силовыми линиями (линиями действия силы), например, направление вектора магнитной силы, возникающей между параллельными проводниками с постоянным током, не совпадает с направлением линий магнитной индукции. Также в данном примере видно, что магнитное поле не является вихревым, так как у вихревых полей работа сил при движении по замкнутой линии может быть отлична от нуля, что является признаком вихревого поля. Вихревые поля могут возбуждать вихревые электрические токи. Таким образом, постоянное магнитное поле является соленоидальным, но не вихревым.
«Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы.»
Физическая энциклопедия. СИЛА.
«Работа сил вихревого электрического поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть отлична от нуля.»
Физика. О.Ф.Кабардин. 1991. С.189.
Работа сил вихревого электрического поля или вихревого магнитного поля при движении электрического заряда или магнита по замкнутой линии может быть отлична от нуля. Например, в электромагнитных волнах электрические и магнитные потоки являются вихревыми.
«... магнитное же поле - соленоидальное.»
Электромагнетизм. И.Е.Иродов. 2000. С.170.
«... ускоритель, использующий вихревое магнитное поле.»
Физическая энциклопедия. БЕТАТРОН.
Магнитное поле, хотя соленоидально, но не всегда является вихревым. Надо заметить, что некоторые авторы книг по электродинамике путают соленоидальные поля с вихревыми, индукционные линии с силовыми. У электрического поля, действительно, индукционные линии совпадают с силовыми, но это никак не относится к магнитному полю, где индукционные линии не всегда совпадают с силовыми линиями действия поля.
Также по линиям магнитной индукции, например, невозможно определить направление силы, действующей на покоящийся электрический заряд в момент включения электромагнита в случае, когда магнит и заряд находятся в покое, т.е. по линиям магнитной индукции невозможно определить направление силы, действующей на покоящийся заряд в переменном магнитном поле. Представляя магнитное поле линиями токов смещения, таких проблем не возникает. По силе, действующей на покоящийся электрический заряд в момент включения электромагнита, можно определить направление тока смещения в конкретной точке магнитного поля. Изменение любого электрического тока всегда связано с электрической напряженностью.
«Магнитное поле, непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды и приводит их в движение; ...»
Физический энциклопедический словарь. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.
Данное правило по сути является неверным, так как не учитываются токи смещения (магнитное поле вообще не действует на покоящиеся заряды). Правильной же является такая формулировка: переменное магнитное поле представляет переменный ток электрического смещения, который проявляется как вихревое электрическое поле и оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды. Например, если покоящийся заряд находится в центре соленоида, то при включении или выключении тока в соленоиде на заряд не действует сила, несмотря на то, что изменяется поток магнитной индукции, так как в центре соленоида ток смещения отсутствует и, соответственно, отсутствует вихревое электрическое поле. Достаточно взглянуть на примеры в учебниках, из которых видно, что ток смещения в центре соленоида отсутствует.
«Пример. Найти плотность тока смещения как функцию расстояния r от оси соленоида.»
Электромагнетизм. И.Е.Иродов. 2000. С.303.
Таким образом, в центре соленоида переменное магнитное поле не оказывает силового действия на покоящиеся электрические заряды и не приводит их в движение. Ось соленоида - это "мертвая" линия магнитного поля, вокруг которой текут электрические токи смещения. Такая "мертвая" линия имеется у любого магнита.
Для примера рассмотрим также другой эксперимент, где электромагнитная индукция возникает "без магнитного поля".
В центральной точке между двумя электромагнитами, где магнитное поле, согласно принципу суперпозиции полей, равно нулю, установлен пробный электрический заряд.
[N] (+) [S]
[N] и [S] - полюса двух электромагнитов, (+) - пробный положительный электрический заряд.
Если электромагниты выключать по отдельности, то на заряд будет действовать сила, направленная вверх.
«Электромагнитная индукция - возникновение электрического поля, электрического тока или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальных сред в магнитном поле.»
Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.
«... изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле ...»
Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.248.
При одновременном выключении электромагнитов на заряд также будет действовать сила, направленная вверх, хотя магнитное поле в точке, где находится заряд, всегда будет оставаться равным нулю. Т.е. в точке, где находится заряд, магнитное поле не изменяется и всегда равно нулю, но тогда почему на заряд действует сила? Парадокс с электромагнитной индукцией можно объяснить присутствием токов смещения, которые текут в одном направлении и складываются согласно принципу суперпозиции. Обнаружить токи смещения можно по силе действующей на заряд в момент включения или выключения электромагнита. Данный пример показывает, что переменный ток смещения, действует на покоящийся электрический заряд даже в тех точках поля, где нет магнитной индукции. В приведенном примере электромагниты можно заменить на постоянные магниты, которые раздвигаются симметрично относительно покоящегося заряда. Также можно привести и другие примеры, например, возникновение индукционного тока внутри трубки, по которой течет переменный ток, хотя магнитная индукция внутри трубки отсутствует. Т.е., рассматривая переменные магнитные поля, необходимо учитывать не только магнитную индукцию, но и токи смещения.