Для школьников (в помощь желающим лучше понять физику).
Каким одинаковым свойством обладают ток проводимости и изменяющееся во времени электрическое поле?
Известно, что ток проводимости вызывает появление в пространства магнитного поля. Таким же свойством обладает изменяющееся во времени электрическое поле.
На представленном ниже рисунке эти МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ изображены красными замыкающимися линиями.
На рисунке представлен процесс зарядки конденсатора от источника постоянного тока (о процессе зарядки конденсатора подробно говорится в статье "Зарядка конденсатора. Зарядный и разрядный ток проводимости"). Вспомним основное из этой статьи.
При замыкании такой цепи, в ней возникает зарядный ток, направленный от положительного полюса источника.
В момент замыкания цепи зарядный ток в проводе имеет максимальное значение, затем убывает и обращается в нуль при полностью заряженном конденсаторе, когда напряжение на конденсаторе станет равным напряжению на клеммах источника постоянного тока. Время зарядки конденсатора зависит от сопротивления, через которое конденсатор заряжается, и от ёмкости конденсатора.
По мере ЗАРЯДКИ конденсатора УВЕЛИЧИВАЕТСЯ напряжённость Е электрического поля между его обкладками.
На рисунке это УВЕЛИЧЕНИЕ напряжённость Е электрического поля между его обкладками отображено двояко: 1) скорость изменения напряжённости электрического поля (отношение изменения Е ко времени его изменения) больше нуля; 2) вектор скорости изменения напряжённости электрического поля совпадает с направлением поля Е:
Вектор напряжённости Е электрического поля между обкладками конденсатора направлен от положительно заряженной обкладки к отрицательной (вверх), туда же направлен вектор скорости изменения электрического поля
Оказалось, что это растущее электрическое поле замыкает цепь постоянного тока на время зарядки конденсатора и одновременно создаёт магнитное поле, силовые линии которого изображены красным цветом.
Направление силовых линий этого магнитного поля находится по правилу правого винта: поступательное движение винта должно совпадать с направлением вектора скорости изменения поля, тогда точки на рукоятке описывают окружности, являющиеся силовыми линиями магнитного поля.
(В верхней части рисунка изображён тот же конденсатор во время зарядки в большем масштабе, сделано это для лучшей наглядности).
Ток проводимости I, идущий от положительного полюса источника, создаёт своё магнитное поле (его силовые линии тоже изображены красным цветом).
Для нахождения направлений силовых линий магнитного поля тока проводимости тоже применяется правило правого винта: винт располагают так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением тока проводимости. Тогда точки на рукоятке винта описывают окружности - это и есть силовые линии магнитного поля, создаваемого током проводимости.
Показанные красными линиями магнитные поля совершенно одинаковы. Это значит, что изменяющееся электрическое поле конденсатора ведёт себя так, как если бы между обкладками конденсатора существовал электрический ток, такой же, как в проводе (назовём этот ток воображаемым).
Итак, в каждый момент времени этот воображаемый ток равен току проводимости., и в каждый момент времени они создают одинаковые магнитные поля.
Как мы знаем, конденсатор разрывает цепь постоянного тока. Сейчас же убедились, что во время зарядки конденсатора от источника постоянного тока электрическая цепь оказывается замкнутой, и замыкается она переменным электрическим полем, которое можно представить в виде воображаемого тока.
Заряженный конденсатор начнёт разряжаться, если его отключить от источника и подключить к сопротивлению, что показано на рисунке ниже.
При разрядке электрическое поле конденсатора убывает, в цепи возникает разрядный ток проводимости.
Разрядный ток проводимости направлен по проводу от положительно заряженной обкладки конденсатора к отрицательной, а напряжённость Е электрического поля в конденсаторе при этом уменьшается, поэтому вектор быстроты изменения электрического поля (отношение изменения напряжённости поля ко времени его изменения) направляем против поля, т. е. вниз.
При этом воображаемый ток, которым мы заменили изменяющееся электрическое поле конденсатора, тоже направлен вниз.
Таким образом, приведённые рисунки показывают, что при зарядке конденсатора направление воображаемого тока, заменяющего изменяющееся электрическое поле внутри конденсатора, и направление тока проводимости в проводе совпадают и электрическая цепь на время зарядки конденсатора оказывается замкнутой.
Точно то же самое можно сказать про процесс разрядки конденсатора.
Говоря о зарядке и разрядке конденсатора предполагалось, что между его обкладками нет диэлектрика, а есть пустота (или вакуум). Теперь представим, что конденсатор заполнен твёрдым диэлектриком, имеющим ионное строение (об этом говорится в предыдущей статье).
Оказавшись в электрическом поле, диэлектрик поляризуется. Если же электрическое поле изменяется, то в диэлектрике возникает ток поляризации.
Направление тока поляризации в диэлектрике при зарядке конденсатора от источника постоянного напряжения
Приведём рассмотренный ранее рисунок (см. статью "Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика. Ток поляризации"), поясняющий явление поляризации диэлектрика и возникновение в нём тока поляризации.
В статье говорилось о том, что электрическое поле Ео конденсатора вызывает поляризацию диэлектрика - смещение связанных положительных зарядов диэлектрика по направлению поля Ео, а отрицательных связанных зарядов - против поля Ео.
Так как смещение связанных зарядов происходит во всём объёме диэлектрика, то при изменении напряжённости электрического поля по диэлектрику проходит ток поляризации.
Куда направлен ток поляризации? Для ответа на этот вопрос мысленно объединим два рисунка:
Представляем, что электрическое поле Ео конденсатора растёт, что соответствует зарядке конденсатора (вектор быстроты изменения напряжённости поля
направлен по полю вправо). При этом растёт и электрическое поле Е в диэлектрике.
Во время зарядки конденсатора увеличивается упругая деформация кристаллической решётки ионного диэлектрика, усиливается поляризация диэлектрика, в диэлектрике возникает ток поляризации.
Положительные ионы сместятся по полю, значит ток поляризации направлен вправо (куда направлен и вектор изменения напряжённости поля), так как за направление тока принимается направленное движение положительных зарядов.
Тогда получается, что при зарядке конденсатора, содержащего диэлектрик, электрическая цепь в области конденсатора замыкается воображаемым током (заменяющим изменяющееся электрическое поле) плюс током поляризации, направленным в ту же сторону, что и воображаемый ток. В ту же сторону направлен и ток проводимости в проводе, равный суммарному току.
Сейчас говорилось о процессе зарядки конденсатора от источника постоянного тока, когда напряжённость электрического поля конденсатора меняется только по модулю, а направление вектора Е остаётся неизменным.
Об электрической цепи переменного (синусоидального) тока, содержащей конденсатор, говорится в статье "Конденсатор в цепи переменного тока. Емкостное сопротивление".
В этом случае (когда цепь содержит источник переменного тока) электрическое поле в проводе всё время меняется и по величине, и по направлению.
В таких полях при высокой частоте вектор поляризации Р диэлектрика не успевает установиться по направлению поля Е (отстаёт от него). Но при низких частотах (частота переменного тока 50 Гц), думается, можно считать, что направление вектора поляризации (и направление тока поляризации) совпадает с направлением электрического поля в диэлектрике.
Тогда рассуждения о направлении тока поляризации (рассмотренные при зарядке конденсатора) должны выполняться и для случая включения конденсатора в цепь переменного (синусоидального) тока, то есть направление тока поляризации в диэлектрике должно совпадать с направлением тока проводимости в проводе.
Просьба к рассмотрению вопроса о направлении тока поляризации подключиться специалистам-практикам и теоретикам тоже. Возможно нет смысла рассматривать направление тока поляризации, а надо говорить только о направлении тока смещения?
Вопрос о том, что изменяющееся электрическое поле подобно току, был рассмотрен Максвеллов при создании им теории электромагнитного поля. Максвелл назвал этот ток током смещения.
Про ток смещения будем говорить в следующей статье под названием: "Вектор электрического смещения. Замкнутость цепи переменного тока с конденсатором током смещения".
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Для школьников предлагаются подборки материала по темам:
!. Механика. Кинематика. Равномерное прямолинейное движение.
2. Равнопеременное прямолинейное движение.
Предыдущая запись: Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика. Понятие о токе поляризации.
Следующая запись: Вектор электрического смещения. Замкнутость цепи переменного тока с конденсатором током смещения.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
