Уравнения и основные соотношения электрического поля постоянного тока

Электрическое поле постоянного тока в проводящей среде

Рассмотрим электрическое поле постоянного тока в неподвижных проводящих средах, или проводниках.

Рассмотрим электрическое поле постоянного тока в неподвижных проводящих средах, или проводниках.

Из полной системы уравнений Максвелла выберем только те уравнения, которые описывают электрическое поле постоянного тока в проводящей среде:

(1)

Применим к обеим частям первого уравнения системы (1) операцию дивергенции, с учетом получим

.

Тогда уравнения Максвелла для электрического поля постоянного тока примут вид

(2)

где согласно (3.6)

. (3)

Одно из основных отличий электрического поля постоянного тока от электростатического обусловлено наличием внешних источников энергии неэлектростатического происхождения, без которых невозможно возникновение тока. В области действия этих источников, характеризуемых напряженностью , (3) примет вид

. (4)

Выражение (3) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме. Соотношение (4) является обобщенным законом Ома, или вторым законом Кирхгофа, в дифференциальной форме. Второе уравнение системы (2) называют первым законом Кирхгофа в дифференциальной форме.

Условие rotE = 0 свидетельствует, что вне источника ЭДС электрическое поле постоянных токов является так же, как и электростатическое поле, безвихревым. Такое поле является потенциальным, т.е. для характеристики может быть введена потенциальная функция φ, причем E = – grad j.

Из второго уравнения системы (2) следует, что линии вектора плотности тока непрерывны и замкнуты.

Два уравнения (2) можно объединить в одно, подобное уравнениям Пуассона-Лапласа.

Область, во всех точках которой .

Для однородной проводящей среды ( ) из второго уравнения (2) с учетом (3) получим:

. (5)

Подставляя в (5) выражение ,имеем:

,

т.е.

. (6)

Таким образом, электрическое поле в однородной проводящей среде в области вне источников энергии описывается уравнением Лапласа (6), как и электростатическое поле в однородной среде, где нет свободных зарядов.