Непрерывность тока в случае электрической конвекции.

Переход электричества из одного места в другое путем движе­ния заряженных тел вообще и, в частности, заряженных элемен­тарных частиц называется электрической конвекцией и предста­вляет собою так называемый конвекционный ток. На возможность такого рода токов указал еще Фарадей. Так, например, в § 1644

 

своих „Опытных исследований по электричеству" он говорит: „...таким образом, если шар, находящийся среди комнаты, будет заряжен положительно и затем будет приведен в движение в неко­тором направлении, то будет наблюдаться такой же эффект, как если бы существовал ток того же направления (пользуемся обыч­ными выражениями); или если бы шар был заряжен отрицательно и затем приведен в движение, наблюдался бы эффект, соответствую­щий току обратного направления". Опыты Роуланда и других, в том числе А. А. Эйхенвальда, в полной мере доказывают существование подобных конвекционных токов. В последнее время представление об этих токах получило широкое применение при описании и изучении явлений прохождения электрического тока через газы. В этом случае, как показывает опыт, течение элек­тричества по цепи действительно осуществляется легко обнаружи­ваемым движением более или менее тяжелых частиц вещества, заряженных положительно или отрицательно, а также движением электронов. На основании принципа непрерывности электрического тока мы можем утверждать, что ток конвекции всегда должен либо, как таковой, протекать по всему контуру тока, что имеет место, например, в случае прохождения тока через газы при отсут­ствии электродов (так называемый безэлектродный разряд), либо же ток конвекции в одной части цепи должен дополняться и замыкаться через посредство токов другого рода, т. е. токов проводниковых и токов смещения. Интересно проследить, как выполняется замкну­тость тока в простейшем случае движения изолированного обособлен­ного тела, несущего на себе заряд. Мы, таким образом, остано­вимся на рассмотрении некоторых сторон того случая конвекцион­ного тока, к которому относятся цитированные выше слова Фара­дея. Допустим, что некоторая частица с зарядом положительного электричества +q движется с некоторою скоростью и, как показано стрелкой на рис. 112. При последовательном перемещении заряда, в каждой точке среды, окружающей этот заряд и, вообще говоря, неподвижной, будет происходить непрерывное изменение деформа­ции электрического смещения. Следовательно, при движении заряда q в пространстве, его окружающем, будут иметь место токи смещения. Ближайшее рассмотрение этих токов смещения показы­вает, что они как-раз дополняют ток конвекции, т. е. ток переноса количества электричества q таким образом, что образуется замкну­тая цепь тока. Действительно, в неподвижной точке пространства A₁, находящейся на линии движения перед зарядом q, электрическое смещение D₁ будет непрерывно возрастать, и потому имеем:

т. е. плотность тока смешения в точке A₁ равная J_D, будет поло­жительного направления, другими словами, ток будет течь в напра­влении вектора D₁. Это и показано на рисунке 112 надлежащим расположением стрелки, изображающей ток J_D1. Другая картина

 

будет в неподвижной точке пространства A₂, находящейся позади движущегося заряда q. В этой точке, по мере удаления заряда от нее, электрическое смещение D₂ будет непрерывно убывать по величине, оставаясь неизменным по направлению. Поэтому для точки a₂ можем написать:

т. е. плотность тока смещения в точке A₂, равная J_D2, будет отри­цательного направления. Это значит, что ток будет течь обратно . направлению вектора D₂, т. е. в направлении движения заряда q. Таким образом, мы видим, что токи смещения в точках A₁ и A₂ составляют один продолжение другого. При этом движущийся заряд q, образующий конвекционный ток в той точке пространства, где в данный момент находится заряд, играет роль как бы связую­щего звена между токами смещения впереди и позади заряда. Картина того, как конвекционный ток в данном случае замы­кается через посредство токов смещения, становится еще нагляд­нее, если рассмотреть какую-либо неподвижную точку простран­ства, лежащую в стороне от линии, по которой происходит движение заряда q. Рассмотрим, например, точку А₃. Электрическое смещение в этой точке изображается (рис. 112) вектором D₃, который при движении заряда q будет изменяться по величине и направлению.

 

Направление тока смещения в точке A₃ можно определить следую­щим образом. Разложим вектор D₃ на две составляющие: А₃В в на-

 

правлении движения заряда и А₃С в направлении, перпендикуляр­ном движению. Не трудно сообразить, что составляющая А₃В будет уменьшаться во время движения заряда, и это породит ток смеще­ния A₃B', составляющая же смещения А₃С будет при этом возрастать, и это обусловит наличие тока смещения A₃С'. Складывая токи А₃В' и А₃С' по правилу параллелограмма, получим результи­рующий ток смещения в точке A₃ в виде вектора J_D3, изображенного на рисунке. Таким же точно путем можем найти ток J_D в точке А₄ и т. д. Очевидно, что все эти токи смещения, возникающие в пространстве, окружающем движущийся заряд q, дополняют ту картину, которую мы получили, рассмотрев точки А₁ и А₂, и являются по существу совершенно необходимыми для того, чтобы и в рас­сматриваемом случае полностью соблюдался основной закон при­роды: принцип непрерывности тока.