Номер 4, страница 119, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

4. В чем сходство и различие между токами проводимости и смещения?

Ток проводимости и ток смещения являются ключевыми понятиями в теории электромагнетизма, введенными Джеймсом Клерком Максвеллом. Они описывают два разных механизма, которые могут создавать магнитное поле.

Сходство

Основное и фундаментальное сходство между током проводимости и током смещения заключается в их способности создавать магнитное поле. Согласно обобщенной теореме о циркуляции магнитного поля (закон Ампера-Максвелла), оба типа тока вносят вклад в создание вихревого магнитного поля.

1. Создание магнитного поля: И ток проводимости, и ток смещения являются источниками магнитного поля. Полный ток $I_{полный}$, который определяет циркуляцию вектора магнитной индукции $\text{B}$ по замкнутому контуру $\text{L}$, является суммой тока проводимости $I_{пров}$ и тока смещения $I_{см}$: $ \oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 (I_{пров} + I_{см}) $

Это означает, что с точки зрения создаваемого ими магнитного поля, они эквивалентны.

2. Единицы измерения: Величина обоих токов измеряется в Амперах (А).

Различие

Несмотря на общее свойство, физическая природа этих токов, среда их возникновения и энергетические эффекты кардинально различаются.

1. Физическая природа:

• Ток проводимости ($I_{пров}$) – это упорядоченное движение реальных заряженных частиц (например, электронов в металлах или ионов в электролитах) под действием электрического поля. Он связан с фактическим переносом массы и заряда через поперечное сечение проводника. Плотность тока проводимости $j_{пров}$ связана с напряженностью электрического поля $\text{E}$ через закон Ома в дифференциальной форме: $j_{пров} = \sigma E$, где $\sigma$ – удельная проводимость среды.

• Ток смещения ($I_{см}$) – это не движение зарядов, а величина, характеризующая скорость изменения электрического поля во времени в данной точке пространства. Он был введен Максвеллом гипотетически для объяснения "непрерывности" тока в цепи с конденсатором. Плотность тока смещения $j_{см}$ определяется как производная от вектора электрического смещения $\text{D}$ по времени: $j_{см} = \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} = \epsilon_0 \epsilon \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$, где $\epsilon_0$ — электрическая постоянная, $\epsilon$ — диэлектрическая проницаемость среды.

2. Среда существования:

• Ток проводимости может существовать только в веществе, содержащем свободные носители заряда, то есть в проводниках, полупроводниках, электролитах.

• Ток смещения может существовать в любой среде, где может меняться электрическое поле, включая идеальные диэлектрики и вакуум, где свободные заряды отсутствуют.

3. Энергетические эффекты:

• Протекание тока проводимости через проводник с конечным сопротивлением всегда сопровождается выделением тепла (закон Джоуля-Ленца), то есть необратимым преобразованием электрической энергии во внутреннюю.

• Ток смещения в вакууме или идеальном диэлектрике не сопровождается выделением тепла. Изменение электрического поля приводит к возникновению магнитного поля, и наоборот. Энергия при этом обратимо переходит из электрической формы в магнитную и обратно (что и представляет собой электромагнитную волну).

Ответ: Сходство токов проводимости и смещения состоит в том, что оба являются источниками магнитного поля и измеряются в Амперах. Различия заключаются в их природе (ток проводимости — это движение зарядов, ток смещения — изменение электрического поля), среде существования (проводники для тока проводимости, любая среда, включая вакуум, для тока смещения) и энергетических эффектах (ток проводимости выделяет тепло, ток смещения — нет).