Verschiebungsstrom
Englisch: displacement current
Richtung und Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Verschiebungsfeldes an einem bestimmten Raum- und Zeitpunkt, ausdrückbar als Vektor
Verschiebungsstrom: das sich ändernde elektrische Feld, das sich wie Strom verhält
Verschiebungsstrom ist kein Ladungsfluss durch einen Leiter. Er beschreibt vielmehr, wie sich das elektrische Verschiebungsfeld (das D-Feld) zeitlich an einem Punkt im Raum ändert. Wenn das elektrische Feld zwischen zwei Objekten wächst oder schrumpft, ändern sich Größe und Richtung des Verschiebungsfelds, und diese Änderung verhält sich mathematisch und elektromagnetisch wie ein echter Strom, obwohl sich keine Elektronen bewegen.
Das Konzept ist vor allem in Kondensatoren und in Bereichen mit Dielektrika zwischen geladenen Flächen wichtig. Während sich ein Kondensator auflädt, intensiviert sich das elektrische Feld zwischen seinen Platten. Dieses sich ändernde Feld erzeugt einen Verschiebungsstrom, der durch das Dielektrikum in derselben Richtung fließt wie der tatsächliche Strom, der in die Kondensatorklemmen fließt. Der Verschiebungsstrom ist am stärksten während der Übergansphase, wenn die Spannung an- oder abfährt; er fällt auf null ab, wenn der Kondensator den stationären Zustand erreicht und das Feld nicht mehr ändert.
Verschiebungsstrom ist für Maxwells Gleichungen unverzichtbar. Ohne ihn würde Faradays Induktionsgesetz unsymmetrisch: Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld, aber (fälschlicherweise) ein sich änderndes elektrisches Feld würde kein Magnetfeld erzeugen. Maxwell fügte den Verschiebungsstromterm hinzu, um die Symmetrie wiederherzustellen und entscheidend, um elektromagnetische Wellen zu ermöglichen. Diese Ergänzung vereinigte Elektrizität, Magnetismus und Licht in ein einziges Rahmenwerk.
Messung und Größenordnung
Verschiebungsstrom ist proportional zur Änderungsrate des D-Felds: Id ist gleich der Permittivität des Mediums mal der Änderungsrate des elektrischen Felds. In praktischen Schaltungen wird er bei hohen Frequenzen oder wenn Spannungen schnell schwingen, signifikant. Bei Netzfrequenzen (50 bis 60 Hz) sind Verschiebungsströme in typischen Kondensatoren messbar, aber klein. Bei Mikrowellen- oder HF-Frequenzen konkurrieren Verschiebungsströme mit Leitungsströmen oder übersteigen sie und können in der Schaltungsanalyse nicht ignoriert werden. Deshalb hängen Hochfrequenz-Stromübertragung, Antennenentwurf und HF-Komponentenverhalten vom Verständnis des Verschiebungsstroms ab.
Der Begriff "Verschiebung" bezieht sich nicht auf physische Bewegung, sondern auf die Verschiebung und Polarisierung des elektrischen Felds selbst. Frühe Elektriker und Physiker beobachteten, dass sich ändernde elektrische Felder sich wie Ströme in ihrer Fähigkeit verhalten, Magnetfelder zu erzeugen und Energie zwischen Schaltungen zu koppeln, auch wenn sich keine Ladungsträger bewegen. Der Name blieb haften, weil sich das Verschiebungsfeld als Reaktion auf angelegte Spannung durch den Raum "verschiebt", und diese Verschiebung erzeugt die beobachteten elektromagnetischen Effekte. In moderner Schreibweise wird die Verschiebungsstromdichte als Zeitableitung von D geschrieben, gemessen in Ampere pro Quadratmeter.