Номер 3, страница 119, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

3. Как можно объяснить, что магнитное поле создается не только движущимися зарядами, но и изменяющимся во времени электрическим полем?

Это утверждение является одним из фундаментальных постулатов классической электродинамики, сформулированным Джеймсом Клерком Максвеллом. Объяснить его можно следующим образом.

Изначально было известно, что магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, то есть электрическим током (током проводимости). Этот факт был обобщен в законе Ампера о циркуляции магнитного поля. Однако этот закон в его первоначальной форме оказался неполным. Он не мог объяснить возникновение магнитного поля в ситуациях, где нет тока проводимости, но есть изменяющееся электрическое поле. Классический пример — пространство между обкладками заряжающегося или разряжающегося конденсатора. Между обкладками нет потока зарядов, но эксперименты показывают, что там возникает магнитное поле.

Для устранения этого противоречия Максвелл выдвинул гипотезу, что переменное во времени электрическое поле $ \vec{E} $ так же, как и электрический ток, является источником магнитного поля. Он ввел понятие тока смещения. Плотность тока смещения $ \vec{j}_D $ определяется скоростью изменения вектора электрической индукции, или, для вакуума, скоростью изменения напряженности электрического поля:

$ \vec{j}_D = \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} $

где $ \varepsilon_0 $ — электрическая постоянная.

Максвелл дополнил закон Ампера этим новым слагаемым. Обобщенный закон (четвертое уравнение Максвелла в дифференциальной форме) связывает циркуляцию магнитного поля $ \vec{B} $ с полным током, который является суммой тока проводимости (с плотностью $ \vec{j} $) и тока смещения:

$ \nabla \times \vec{B} = \mu_0 (\vec{j} + \vec{j}_D) = \mu_0 \left(\vec{j} + \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}\right) $

где $ \mu_0 $ — магнитная постоянная.

Эта формула математически показывает, что источником вихревого магнитного поля (левая часть уравнения, $ \nabla \times \vec{B} $) могут быть как движущиеся заряды (ток проводимости $ \vec{j} $), так и изменяющееся во времени электрическое поле (ток смещения $ \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} $). Эта идея объединила электрические и магнитные явления и легла в основу теории электромагнитных волн, в которых переменное электрическое поле порождает переменное магнитное, а то, в свою очередь, порождает переменное электрическое, что позволяет волне распространяться в пространстве.

Ответ: Магнитное поле создается не только движущимися зарядами (током проводимости), но и изменяющимся во времени электрическим полем. Это объясняется гипотезой Максвелла о существовании так называемого тока смещения. Этот ток смещения, по своему действию эквивалентный обычному току, является таким же источником магнитного поля, как и ток движущихся зарядов. Это положение является одним из основных в единой теории электромагнитного поля (уравнениях Максвелла).