Corrente di spostamento

In fisica, la corrente di spostamento è una grandezza fisica che serve a rappresentare la variazione temporale del campo elettrico, introdotta per descrivere la formazione di un campo magnetico in presenza di un campo elettrico variabile nel tempo. Tale grandezza esprime a livello generale il fatto che campi elettrici variabili nel tempo generano campi magnetici, e permette di descrivere completamente il campo elettromagnetico attraverso le equazioni di Maxwell.

Definizione

Si consideri il vettore induzione elettrica, definito come:

$\mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P}$

dove $\mathbf {E}$ è il campo elettrico e $\mathbf {P}$ la polarizzazione elettrica. La densità di corrente di spostamento è definita come la variazione nel tempo del vettore induzione elettrica:

$\mathbf {J} _{s}={\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}$

o, equivalentemente:

$\mathbf {J} _{s}=\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}+{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}$

Dove l'ultimo termine al secondo membro è la densità di corrente di polarizzazione.

La corrente di spostamento che attraversa una data superficie $S$ è allora definita nella sua forma più generale come il flusso della densità di corrente di spostamento attraverso tale superficie:

$i_{s}=\int _{\mathbf {S} }\mathbf {J} _{s}\cdot \mathrm {d} \mathbf {S}$

Nel caso del vuoto, essendo la polarizzazione elettrica nulla, la corrente di spostamento assume la forma:

$i_{s}=\varepsilon _{0}\int _{\mathbf {S} }{\frac {\partial \mathbf {E} (t)}{\partial t}}\cdot \mathrm {d} \mathbf {S}$

La contraddizione nel condensatore a facce piane

Rappresentazione schematica di un circuito con un condensatore piano attraversato da una corrente variabile $i(t)$. Se non si considera la corrente di spostamento, per la Legge di Caputo-Ampère la circuitazione di $\mathbf {B}$ lungo la frontiera di $S_{1}$ vale $i(t)$ mentre lungo la frontiera di $S_{2}$ vale 0, contraddicendo in questo modo l'equazione di continuità.

Si supponga di caricare un condensatore con una corrente $i(t)$. Se si applica la legge di Ampère, ovvero si calcola la circuitazione del campo magnetico lungo un cammino chiuso che delimita la superficie $S_{1}$, la quale racchiude una delle due armature, si ottiene che l'integrale di linea di $\mathbf {B}$ lungo la linea $l$ che racchiude $S_{1}$ fornisce:

$\oint _{l}\mathbf {B} \cdot \mathrm {d} \mathbf {l} =\mu _{0}i$

Se si calcola, invece, la circuitazione del campo magnetico lungo la linea chiusa che delimita una superficie $S_{2}$ posta all'interno del condensatore, ma tale da non contenere nessuna delle due armature al suo interno, essa è nulla. Tale risultato viola l'equazione di continuità per la corrente elettrica in circuiti interrotti da condensatori: si tratta di una contraddizione dovuta all'aver trascurato la corrente di spostamento tra le armature del condensatore, all'interno del quale è presente un campo elettrico variabile nel tempo $\mathbf {E} (t)$.

Il flusso del campo elettrico attraverso la superficie $S_{2}$ è:

$\Phi (\mathbf {E} )=\int _{\mathbf {S_{2}} }\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S_{2}}$

dove il campo elettrico, nel caso di un condensatore piano, è:

$\mathbf {E} ={\frac {\sigma }{\varepsilon _{0}}}\mathbf {n}$

in cui $\sigma \,$ è la densità superficiale di carica sulle armature.

Per il teorema del flusso si ha che:(è il teorema di Gauss applicato ad una superficie chiusa di cui fa parte S2, per esempio un cilindro o tronco di cono con basi S1 ed S2. Poiché il campo attraversa solo S2 si arriva all’equazione seguente))

$Q=\varepsilon _{0}\,\Phi (\mathbf {E} )$

e derivando rispetto al tempo si ottiene la corrente di spostamento:

$i=\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t}}\Phi (\mathbf {E} )=\varepsilon _{0}\int _{\mathbf {S_{2}} }{\frac {\partial \mathbf {E} (t)}{\partial t}}\cdot \mathrm {d} \mathbf {S}$

Nonostante non sia costituita dal moto di cariche elettriche reali, tale corrente permette di soddisfare l'equazione di continuità, dal momento che il flusso della densità di corrente di spostamento è pari alla corrente che alimenta il condensatore.

Legge di Ampère-Maxwell

Un campo elettrico variabile nel tempo è sperimentalmente sorgente di un campo magnetico, rendendo necessaria una estensione della legge di Ampère. Inserendo la prima legge di Maxwell nell'equazione di continuità si ottiene:

$\nabla \cdot \mathbf {J} +{\frac {\partial \rho }{\partial t}}=\nabla \cdot \left(\mathbf {J} +\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\right)=0$

Come già visto, la densità di corrente di spostamento si annulla nel caso stazionario.

Inserendo la densità di corrente generalizzata nella legge di Ampère nel vuoto:

$\mathbf {\nabla \times B} =\mu _{0}\left(\mathbf {J} +\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\right)$

si ottiene la legge di Ampère-Maxwell nel vuoto..

Bibliografia

• Corrado Mencuccini, Vittorio Silvestrini, Fisica II, Napoli, Liguori Editore, 2010, ISBN 978-88-207-1633-2.
• John D Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd Edition, Wiley, 1999, ISBN 0-471-30932-X.

Voci correlate

• Campo elettrico
• Campo elettromagnetico
• Campo magnetico
• Carica elettrica
• Condensatore (elettrotecnica)
• Corrente elettrica
• Densità di corrente
• Equazione di continuità
• Equazioni di Maxwell
• Legge di Ampère-Maxwell
• Polarizzazione elettrica
• Teorema del flusso

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Collegamenti esterni

• (EN) displacement current, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.

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