• Зависящая от времени плотность тока генерирует, кроме пропорционального плотности тока поля Био-Савара, которое убывает с расстоянием dху между точками х и у как dху–2, также токо-ускорительные электрическое поле и поле магнитной индукции, пропорциональные производной по времени от плотности тока и убывающие как dху–1.
    На достаточно большом расстоянии от источника токо-ускорительные поля играют основную роль и представляют собой электромагнитное излучение радиоволнового диапазона
  • Движущийся микрозаряд порождает, кроме зависящего только от положения заряда кулоновского поля и пропорционального скорости микрозаряда поля Био-Савара, которые убывают с расстоянием как dху–2зарядо-ускорительные электрическое поле и поле магнитной индукции, пропорциональные ускорению микрозаряда и убывающие как dху–1.
    На достаточно большом расстоянии от источника зарядо-ускорительные поля играют основную роль и представляют собой электромагнитное излучение микрозаряда в диапазонах от инфракрасного до гамма-излучения.

Список основных обозначений

A = A(xt) – векторный магнитный потенциал;
A(х) – окрестность осреднения для точки х;
а – характерное значение модуля ускорения микрозаряда;
ап(t) – вектор ускорения микрозаряда с номером п;
В = В(xt) – вектор магнитной индукции;
с = 3 ∙ 108 м/с  – скорость света в вакууме;
D – выпуклая пространственная область, в которой поляризация и намагниченность среды не играют существенной роли;
Dj – подобласть области D, в которой вектор плотности тока отличен от нуля;
Dρ – подобласть области D, в которой плотность заряда отлична от нуля;
d› – среднее расстояние между ближайшими микрозарядами;
dху = |х – у| – расстояние между точками х и у;
dV – элемент объёма в точке у;
Е = Е(xt) – вектор напряжённости электрического поля;
j(хt)  – вектор плотности тока;
k = ω с –1 – модуль волнового вектора;
L – характерное расстояние, на котором происходят существенные изменения плотностей зарядов и токов;
т – масса иона;
N(t) – число микрозарядов, находящихся в окрестности осреднения в момент времени t;
qп – величина микрозаряда с номером п;
rа – радиус окрестности осреднения A(х);
s = (х – у)/|х – у|;
t – время;
 = dху/с;
t^ = – dху/с;
Vа = 4/3 π rа3 – объём окрестности осреднения;
vп(t) – вектор скорости микрозаряда с номером п;
v – характерное значение модуля скорости микрозаряда;
х – радиус-вектор точки, в которой определяется поле;
у – радиус-вектор источника поля;
α(хt) = ∂/∂t j(хt) – вектор плотности токового ускорения;
ε0 = 8,85 •10–12 Кл2 ∙ Н–1 ∙ м – 2 – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума);
η(хt) = ∂/∂t ρ(хt) – скорость изменения плотности заряда;
κ – жёсткость связи между соседними ионами;
λ = 2π с ω–1 = 2π k–1  – длина волны;
μ0 = (ε0 с2–1 Н ∙ с∙ Кл–2 – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума);
ρ(хt– плотность заряда;
Ф(xt) – скалярный потенциал;
ω – круговая частота тока;
□ – оператор Д´Аламбера.  

     Основные параметры, используемые в системе уравнений Максвелла

    Определения плотности заряда и плотности тока 

    Согласно представлениям классической электродинамики первичными источниками всякого электрического и магнитного поля являются микрозаряды – заряженные элементарные частицы и ионы. Число микрозарядов, участвующих в создании рассматриваемых полей, как правило, столь велико, что проследить за каждым из них принципиально  невозможно. Удобный выход из этого затруднения предоставляет установленный с высокой достоверностью принцип суперпозиции, согласно которому электрическое и магнитное поля, создаваемые любым числом микрозарядов, суммируются. Использование этого принципа дало возможность сделать основным объектом изучения средние арифметические значения полей, создаваемых микрозарядами, которые оказались в рассматриваемый момент времени в непосредственной окрестности рассматриваемой точки.
При нахождении среднего значения используется определяемая в каждой точке х пространства окрестность осреднения A(х), в качестве которой удобно использовать шар с радиусом rа, имеющий объём Vа = 4/3 π rа3. Осреднение производится в каждый момент времени t по совокупности N(t) микрозарядов, находящихся в этот момент в A(х). Основные входные параметры системы уравнений Максвелла – плотность заряда ρ(хt) и вектор плотности тока j(хt) определяются при этом формулами:

                         N(t)
    ρ(хt) = Vа–1 Σ qп;                                                                               (1)
                        п =1     

                        N(t)
    j(хt) = Vа–1 Σ qп vп (t).                                                                       (2)
                       п =1                                  

    Чтобы определённые соотношениями (1) и (2) величины ρ и j допускали дифференцирование по времени и интегрирование по пространственным координатам, число N(t) в каждый момент времени должно быть достаточно большим. Это условие удовлетворяется, если величина rа значительно больше среднего расстояния ‹d› между микрозарядами:
    rа >> ‹d›.                                                                                             (3)
    С другой стороны, радиус окрестности осреднения должен быть значительно меньше характерного расстояния L, на котором происходит физически значимое изменение величины определяемых плотностей:
    rа << L.                                                                                               (4)
    Одновременное выполнение условий (3) и (4) возможно только тогда, когда
    L >> ‹d›.                                                                                              (5)

  • Если условие (5) не соблюдается, невозможно корректное определение понятий плотность заряда и плотность тока, а, следовательно, теряет смысл система уравнений Максвелла, в которой эти параметры являются основными входными величинами.

   Электрическая и магнитная проницаемости

   Для учёта реально существующего, но не описываемого теорией взаимодействия микрозарядов друг с другом и одновременно с внешним полем при дальнейшем построении макроскопической электродинамики приходится ввести не выражающиеся явным образом через параметры микрозарядов феноменологические параметры среды – электрическую проницаемость ε и магнитную проницаемость μ. Первый из этих параметров должен учитывать поляризацию отдельных атомов, молекул или целых кристаллов в рассматриваемой среде приложенным электрическим полем, а второй отражает появление дополнительной намагниченности сред под влиянием приложенного магнитного поля. Другими словами, электрическая и магнитная проницаемости приближённо учитывают изменение под действием приложенного поля взаимного расположения и движения всей совокупности микрозарядов, попавших в окрестность осреднения А(х), а также обратное влияние этих изменений на величину поля.
Величины ε и μ зависят как от вида конкретной среды, так и от существующего в среде электрического и магнитного поля. В настоящее время отсутствуют теоретические модели, позволяющие количественно определить эту зависимость, так что при определении значений ε и μ приходится пользоваться эмпирическими формулами. В конечном счёте исследователь оказывается перед выбором из двух альтернатив:

  • использовать возможно более точные эмпирические зависимости, лишившись всякой надежды на получение аналитического решения задачи;
  • заменить величины ε и μ некоторыми усреднёнными постоянными значениями и получить точное аналитическое решение задачи, имеющей, возможно, весьма отдалённое отношение к реальной ситуации.

   Необходимость выбора между двумя достаточно плохими вариантами отпадает, если ограничиться рассмотрением среды, в которой поляризация и намагниченность не играют существенной роли и можно положить

    ε ≈ ε0,                                                                                                    (6)
    μ ≈ μ0.                                                                                                   (7)

   В частности, соотношения (6) и (7) дают достаточно хорошее приближение для не очень плотных газов, а также при построении теории микрополей, когда операция осреднения параметров не применяется.

    Генерация электромагнитных полей при наличии плотности заряда и плотности тока

  Выражения для электрического вектора и вектора магнитной индукции 

   Как показывается в курсах электродинамики (см., например, Матвеев), вектор магнитной индукции В может быть выражен через векторный магнитный потенциал А
       В = rot A,                                                                                        (8)
а для электрического вектора в общем случае векторного магнитного потенциала недостаточно и требуется привлечение скалярного потенциала Ф:                                 E = – grad Ф – ∂A/∂t.                                                                     (9)
Рассмотрим выпуклую пространственную область D, для всех точек которой и для всех моментов времени, предшествующих рассматриваемому, выполняются условия (5)-(7)  и обозначим через Dρ  и Dj  подобласти области D, такие что в Dρ отлична от нуля плотность заряда (ρ ≠ 0), а в Dj  – плотность тока (≠ 0).

При использовании калибровочного условия Лоренца, имеющего в рассматриваемом случае вид
div A + с –2 ∂Ф/∂t = 0,

в области D потенциалы А и Ф удовлетворяют уравнениям:

        □А =  – μ0j,                                                                                        (10)                                                                                                                                                                                  □Ф =  – ε0–1 ρ.                                                                                   (11)

    Правые части уравнений (10) и (11) определяют локальные источники поля.
Использование метода запаздывающих потенциалов приводит к справедливым во всей области D выражениям для частных решений уравнений (10) и (11), определяющих вклад в суммарное поле локальных источников, находящихся внутри области D:

   Ain(xt) = (4π) – 1μ0  dху–1 j(уt^) dV,                                                 (12)
                                   Dj

   Фin(xt) =  (4πε0) – 1  dху–1 ρ(уt^) dV,                                                (13)
                                    Dρ
где
t^ = t^(хуt) = – dху/с.

    Соотношения (12), (13) вместе с (8) и (9) дают возможность определить электрическое поле Еin(xt) и поле магнитной индукции Вin(xt), генерируемые источниками, находящимися внутри области D.
Выполняя в правых частях (12)-(13) векторное дифференцирование по параметру х под знаком интеграла с учётом зависимости от х величины t^, получаем:

   rotх[dху–1 j(уt^)] =                                                                             (14)
                     = dху–2 j(уt^) × s + с – 1 dху–1 α(уt^) × s;

   gradх[dху–1 ρ(уt^)] =                                                                          (15)
                    = – dху–2 ρ(уt^) s – с – 1 dху–1 η(уt^) s.

    Из (8)-(9), (12)-(15) а также равенства
∂/∂t [dху–1 j(уt^)] = dху–1 α(уt^)
следует, что
Еin(xt) = ЕС(xt) + ЕD(xt) + ЕСА(xt),
Вin(xt) = ВBS(xt) + ВСА(xt),
где
ЕC (xt) =                                                                                             (16)
= (4πε0) – 1  dху–2ρ(уt^) s dV,
                  Dρ

   ЕD(xt) =                                                                                              (17)
= (4π сε0) – 1  dху–1 η(уt^) s dV,
                     Dρ

   ЕCA(xt) =                                                                                            (18)
=  – (4π) – 1 μ0 ∫ dху–1 α(уt^) dV,
                       Dj

   ВBS(xt) = (4π) – 1 μ0 ∫ dху–2 j(уt^)×s dV,                                            (19)
                                     Dj

   ВCA(xt) = (4π с) – 1 μ0  dху–1 α(уt^)×s dV.                                        (20)
                                         Dj

    Полная величина электрического поля Е и поля магнитной индукции В, действующих в области D, представляется в виде суммы рассмотренных полей Еin и Вin, порождённых источниками, находящимися внутри области D, и порождённых находящимися вне области D источниками полей Еout и Вout:
Е(xt) = Еin(xt) + Еout(xt),
В(xt) = Вin(xt) + Вout(xt).

  • Элемент объёма dV вокруг точки у, в которой в момент времени t плотность заряда ρ(уt) отлична от нуля, создаст в каждой точке х, весь путь до которой проходит в неполяризующейся и ненамагничивающейся среде, в момент времени  t´t + dху/с  кулоновское поле
      ЕС = (4πε0) – 1 dV dху–2 ρ(уt) s.
    Если при тех же условиях отлична от нуля производная по времени η(уt) от плотности заряда, в точке х создаётся также динамическое электрическое поле
      ЕD = (4πε0) – 1 dV с –1 dху–1 η(уt) s.

   Динамическое поле становится абсолютно преобладающим над кулоновским на расстояниях dху от источника, удовлетворяющих условию
dху >> с τη,
где τη – характерное время изменения плотности заряда, которое может быть приближённо оценено по формуле
τη ≈ |ρ| / |η|.

  • Элемент объёма dV вокруг точки у, в которой в момент времени t вектор плотности тока j(уt) отличен от нуля, создаст в каждой точке х, весь путь до которой проходит в неполяризующейся и ненамагничивающейся среде, в момент времени  t´ поле Био-Савара
      ВBS = (4π) – 1 μ0 dV dху–2 j(уt) × s.
    Если при тех же условиях отличен от нуля вектор токового ускорения α(уt) (производная по времени от вектора плотности тока), в момент времени  t´ в точке х создаётся также токо-ускорительное электрическое поле
      ЕСА = – (4π) – 1 μ0 dV dху–1 α(уt)
    и токо-ускорительное поле магнитной индукции
      ВСА = (4π) – 1 μ0 dV с –1 dху–1 α(уt) × s.                             

    Как и в случае поля, создаваемого зарядами, токо-ускорительное поле ВСА абсолютно преобладает над полем Био-Савара ВBS на расстояниях dху от источника, удовлетворяющих условию
dху >> с τα,
где τα – характерное время изменения плотности тока, приближённо оцениваемое по формуле
τη ≈ |j| / |α|.                                                                                          (21)

  • При выполнении условия (21) пара функций ЕСА и ВСА является асимптотическим решением системы уравнений Максвелла  т.е. подстановка этих функций в уравнения Максвелла даёт малую невязку порядка (сτα / dху)2.

   Частный случай — поле элемента линейного переменного тока 

  Условие применимости уравнений Максвелла в металле

    При рассмотрении электромагнитного поля в металлах система уравнений Максвелла дополняется законом Ома
      j = σ Е,                                                                                       (22)
где проводимость σ – эмпирический параметр, удовлетворяющий условию
  σ > 0
и имеющий смысл только тогда, когда определена плотность тока j, т.е. при выполнении условия (5).
    Появление дополнительного уравнения даёт возможность не задавать плотность тока j(хt), а определять её, наряду с электрическим вектором Е(хt) и вектором магнитной индукции В(хt).
    С использованием (22) и (9) при Ф ≡ 0 из (10) можно получить для неизвестной функции j(хt) уравнение:
    μσ ∂/∂= □ j.
    Как показывает анализ этого уравнения (см., например, Матвеев), в проводе, запитанном переменным током
       I(t) = Isin ωt,
ток I распределяется по сечению проводника неравномерно, причём основная его часть сосредоточена в тонком поверхностном слое (скин-слой) (skin effect). Толщина скин-слоя Δ выражается через соответствующую частоте ω длину волны λ = 2πс/ω по формуле:
   Δ = (λδ)½,
где имеющая размерность длины величина δ = (π μ с σ) –1 зависит от материала проводника и от его температуры.

   Величина Δ в рассматриваемом случае может играть роль фигурирующего в условии (5) характерного расстояния L, на котором происходят существенные изменения плотности тока. Если при этом принять в качестве среднего расстояния ‹d› между ближайшими свободными электронами величину шага кристаллической решётки, т.е. положить
  ‹d› ≈ 10 – 9 м,
то условие (5) превращается в неравенство
   Δ  > ≈  Δ*= 10 – 6 м.

  • Для переменных токов в металлическом проводнике корректное определение понятий плотность токапроводимость и скин-слой возможно только при выполнении условия:
    λ  > ≈ λ*= Δ*2/δ.                                                 (23)

   Для провода, изготовленного из высокоочищенной и подвергнутой оптимальной термообработке меди, при комнатной температуре
δ = 10 – 11 м, λ* = 10 – 1 м,
а при температуре жидкого гелия
δ = 10 – 14 м, λ* = 100 м.

  • Если условие (23) не выполнено, эксперимент обнаруживает отклонения от предсказаний теории, называемые аномальным скин-эффектом.

Для объяснения аномального скин-эффекта обычно производится сравнение толщины скин-слоя с длиной свободного пробега электрона. Между тем, понятие свободный пробег к электрону не применимо, т.к. под действием электромагнитного изучения, генерируемого, в частности, ионами в узлах кристаллической решётки, а также другими свободными электронами кристалла, движение электрона всегда имеет хаотический характер и может быть описано только в вероятностных терминах.

 Поля, создаваемые проводником с переменным током

     При выполнении условия (23) элемент провода dl создаёт согласно (18)-(20) поля
   ВBS = (4π) – 1 μ0 I0 dху–2 sin(ωt – kdху) dl ×s,                                        (24)
   ЕСА = – (4π) – 1 μ0 I0 k с dху–1 cos(ωt – kdхуdl,                                    (25)
   ВСА = (4π) – 1 μ0 I0 k dху–1 cos(ωt  kdху) dl×s,                                     (26)
где
    k = ω с –1 – модуль волнового вектора.

     Поле Био-Савара (24) становится пренебрежимо малым по сравнению с токо-ускорительным полем (26) при выполнении условия
    dху >> k –1 = λ/2π.

  • Каждый элемент линейного проводника, запитанного переменным током, удовлетворяющим условию (23), генерирует токо-ускорительные поля ЕСА и ВСА, относящиеся к радиоволновому диапазону.

    Электромагнитное поле, генерируемое микрозарядами

    Как нетрудно заметить, выражения (12), (13) для векторного и скалярного потенциалов имеют смысл и в том случае, когда плотности заряда или тока имеют особенности – важно только, чтобы особенность была интегрируемой. Иначе говоря, требование к радиусу окрестности осреднения, выражаемое неравенством (3), в данном случае не является необходимым и можно уменьшить величину rа настолько, что в область A(х) попадает только один микрозаряд.

  • При использовании интегральных представлений (12) и (13) векторного и магнитного потенциалов условия (3)-(5) и само наличие плотности заряда и плотности тока не являются необходимыми.

    Рассмотрим микрозаряд q, который в момент времени
   t^ = – dху*(t^) с –1                                                                               (27)
находился в точке у* = у*(t^) и обладал скоростью v(t^).
Если известен закон движения микрозаряда у* = у*(t), то соотношение (27) даёт неявное определение функции t^ = t^(t).
Чтобы получить выражения для векторного и магнитного потенциалов, создаваемых этим микрозарядом, заменим фигурирующие в (12) и (13) под знаком интеграла величины плотности заряда и тока соответствующими δ-функциями:
ρ(уt^) = q δ(у*(t^) – у),
ι(уt^) = v(t´) δ(у*(t^) – у).
В результате такой замены получаются выражения:
A(xt) = (4π) – 1μ0 q dху*(t^) –1 v(t^),                                                     (28)
Ф(xt) =  (4πε0) – 1 q dху*(t^) –1.                                                             (29)
После этого для определения генерируемых отдельным микрозарядом электрического и магнитного поля остаётся воспользоваться формулами (8) и (9).
При определении ротора правой части (28) и градиента правой части (29) получаются аналогичные соотношениям (14) и (15) выражения:
rotх[dху*(t^) –1 v(t´)] =                                                                          (30)
dху*(t^) –2 v(t^)× s + с – 1 dху*(t^) –1 а(t´)×s;

   gradх[dху*(t^) –1] =                                                                               (31)
=  – dху*(t^) –2 s.

    Выражение для частной производной по времени от правой части (28) при этом несколько усложняется из-за зависимости от времени положения источника у*(t´):
∂/∂t [dху*(t^) –1 v(t^)] =
(32)
[dху*(t^) –2 (v(t^)∙sv(t^) + dху*(t^) –1 а(t^)] dt^/dt.

    Согласно правилу дифференцирования неявной функции
dt^/dt = [1– (v(t^)∙s) с –1]–1 .                                                               (33)
Использование (8)-(9) и (28)-(33) приводит к выражениям для полей ВМС и ЕМС, создаваемых микрозарядом:
ЕМС(xt) = ЕС(xt) + ЕV(xt) + ЕА(xt),
ВМС(xt) = ВBS(xt) + ВА(xt),
где
ЕС(xt) = (4π) – 1 μ0 q сdху*(t^) –2 s ,
ЕV(xt) =
=  (4π) – 1 μ0 q dху*(t^) –2 (v(t^)∙sv(t´)[1– (v(t^)∙s) с –1]–1,
ЕА(xt) =  – (4π) – 1 μ0 q dху*(t^) –1 а(t^),                                             (34)
ВBS(xt) = (4π) – 1 μ0 q dху*(t^) –2 v(t^)×s,
ВА(xt) = (4π) – 1 μ0 q с –1 dху*(t^) –1 а(t^)×s.                                       (35)

   В случае нерелятивистских скоростей
| v(t^)| << с.
  При выполнении этого условия «скоростное» поле ЕV(xt) пренебрежимо мало по сравнению с кулоновским полем ЕС(xt).
Зарядо-ускорительное электрическое поле ЕА(xt) преобладает над кулоновским на расстояниях от источника, удовлетворяющих условию
dху*(t^) >> с2/а,                                                                                    (36)
а зарядо-ускорительное поле магнитной индукции ВА(xt) преобладает над полем Био-Савара ВBS(xt) при более слабом условии
dху*(t^) >> сv /а.

  • В нерелятивистском случае микрозаряд q, находящийся в момент времени t в точке у* и движущийся со скоростью v и ускорением а, создаст в точке х в момент t´ электрическое поле Е и поле магнитной индукции В, представляющиеся в виде
      Е = ЕС + ЕА,
      В = ВBS + ВА,
    где
      ЕС =  (4πε0) – 1q dху*(t´) –2 s = μ0 (4π) – 1q с 2 dху*(t´) –2 s,    ЕА =   – μ0 (4π) – 1q dху*(t´) –1 а.
      ВBS = μ0 (4π) – 1q dху*(t´) –2 v×s,
      ВА = μ0 (4π) – 1q с – 1 dху*(t´) –1 а×s,
    если на всём пути распространения поля от точки у* к точке х выполнялись условия (6) и (7).

    При выполнении условия (36) как электрическое поле, так и поле магнитной индукции, создаваемые микрозарядом, сводятся к зарядо-ускорительным полям ЕА и ВА, убывающим как dху*(t^) –1 при увеличении расстояния от источника.

  • При любой длине волны выражения (34), (35) для зарядо-ускорительных полей определяют электромагнитные волны, генерируемые отдельным микрозарядом.
    Ионы, входящие в состав молекул или кристаллов, совершают колебания на частотах, соответствующих спектру собственных колебаний. Собственные частоты ограничены сверху величиной, пропорциональной (κ/т)½, где κ – жёсткость связи между соседними ионами; т – масса иона. Граница снизу для спектра колебаний ионов определяется тем, что длина волны колебаний не может превосходить размеры кристалла (обычно ≈ 1 мкм).

    Свободные электроны в ионизированном газе, как следует из результатов раздела Стохастические характеристики движения заряженной частицы в поле электромагнитной радиации, совершают хаотическое движение со значительно большими, чем тяжёлые ионы, средними скоростями и частотами, включающими рентгеновскую часть спектра.
Наконец, самая коротковолновая часть спектра – гамма-излучение – определяется колебаниями заряженных нуклонов в процессе ядерных реакций, собственные частоты которых выше рентгеновских благодаря высокой жёсткости внутриядерных связей.

  • Электромагнитное излучение в диапазонах от инфракрасного до ультрафиолетового включительно представляет собой зарядо-ускорительное поле, порождённое колебаниями ионов, входящих в состав молекул или кристаллов, рентгеновское излучение – хаотическим движением свободных электронов, а гамма-излучение – движением заряженных нуклонов в процессе ядерных реакций.

Дата последнего обновления:  2011-04-25