Prąd przesunięcia

Prąd przesunięcia

Prąd przesunięcia to wielkość fizyczna związana z szybkością zmian natężenia pola elektrycznego w dielektryku, różniąca się od tradycyjnego prądu elektrycznego, który polega na przepływie ładunków. Pojęcie to wprowadził James Clerk Maxwell w 1865 roku, uogólniając prawo Ampère’a dla prądów zmiennych. Prąd przesunięcia wywołuje wirowe pole magnetyczne, mimo że nie jest związany z ruchem ładunków. Dla odróżnienia, prąd związany z ruchem ładunków nazywany jest prądem przewodzenia.

Gęstość prądu przesunięcia

Gęstość prądu przesunięcia (J_D) definiuje się jako:

• $mathbf\{J\}\_mathrm\{D\}\; =\; varepsilon\; frac\{partial\; mathbf\{E\}\}\{partial\; t\}$, gdzie D = εE, a ε to przenikalność elektryczna.

Dla dielektryków liniowych, przenikalność elektryczna jest stała, w przeciwnym razie staje się tensorem.

Polaryzacja

Polaryzacja (P) w dielektryku jest związana z gęstością prądu przesunięcia:

• $mathbf\{P\}\; =\; varepsilon\_0\; chi\_e\; mathbf\{E\}$, gdzie χ_e to podatność elektryczna.

Indukcję elektryczną opisuje zależność:

• $mathbf\{D\}\; =\; varepsilon\_0\; mathbf\{E\}\; +\; mathbf\{P\}$.

Gęstość prądu przesunięcia można wyrazić jako sumę dwóch składników związanych z czasową zmianą pola elektrycznego i polaryzacji.

Matematyka prądu przesunięcia

Maxwell zauważył, że dodanie prądu przesunięcia do prawa Ampère’a umożliwia wyjaśnienie powstawania pola magnetycznego zarówno przez prąd przewodzenia, jak i przesunięcia:

• $nabla\; times\; vec\{H\}\; =\; vec\{j\}\; +\; frac\{partial\; mathbf\{D\}\}\{partial\; t\}$.

Przykład i interpretacja

Prąd przesunięcia można zaobserwować podczas ładowania kondensatora. Ładunki gromadzące się na okładkach kondensatora odpychają ładunki na drugiej okładce, co ilustruje, że prąd może płynąć mimo braku przewodnika między okładkami. Maxwell interpretował ten zjawisko jako dowód na istnienie prądu przesunięcia, co przyczyniło się do odkrycia fal elektromagnetycznych poruszających się z prędkością światła.

Współczesna koncepcja

Dziś wiadomo, że prąd przesunięcia nie jest związany z ruchem ładunków, a jedynie reprezentuje szybkość zmian pola elektrycznego oraz towarzyszące mu pole magnetyczne.

Podsumowanie

Prąd przesunięcia jest kluczowym pojęciem w elektromagnetyzmie, umożliwiającym zrozumienie zjawisk związanych z polami elektrycznymi i magnetycznymi w dielektrykach.