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1、辽宁大学学报JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITY 自然科学版NaturalSciencesEdition第28卷 第3期 2001年Vol.28No.32001位移电流和传导电流X韩金学(伊春林业学校,黑龙江伊春153000)摘 要:从变化电场激发磁场这一现象入手,对位移电流和传导电流的实质及其关系加以讨论,进一步加深对电磁场理论的认识.关键词:麦克斯韦方程;电磁波.中图分类号:O441文献标识码:A 文章编号:100025846(2001)03202602031 麦克斯韦位移电流的
2、假设法拉第电磁感应定律揭示了变化磁场激发电场的问题,人们进一步要问,变化的电场是否激发磁场呢?为了回答这个问题,我们还是先从分析非稳恒电流分布的特点入手.众所周知,位移电流是麦克斯韦在对稳恒情况下的安培环路定理进行推广时而引入的,在稳恒情形下:ý·J=0(1) 但在交变情况下,电流分布受电荷守恒定律所制约,即:5ρý·J+=0(2)5t 它一般不再是闭合的,在稳恒情形下,电流J是闭合的,J=0在理论上是没有矛盾的,但是在非稳恒情况下,由于电荷守恒定律是精确的普遍规律,而(1)式仅是根据稳恒情况下的实验定
3、律导出的特殊情况,在两者发生矛盾的情况下,麦克斯韦为修改(1)式使其服从普遍的电荷守恒定律的要求而提出了位移电流假说,他假设存在一个位移电流JD,它和传导电流Jf合起来构成闭合的量:ý·(Jf+JD)=0(3) 并假设电流JD与电流Jf一样产生磁效应,这样方程:ý×B=μ0J可修改为:ý×B=μ0(Jf+JD)(4) 上式两边的散度都等于零,因而理论上(1)式和(2)式就不再矛盾了.X收稿日期:2000203230作者简介:韩金学(19532),男,黑龙江省庆安县人,讲师,从事物理学教学与研究第3期
4、 韩金学:位移电流和传导电流 2612 位移电流产生的条件及其物理意义下面先看一下电流JD的物理意义,电荷守恒定律表为:5ρý·J+=05t 电荷密度与电位移矢量D的散度有关系式:ý·J=ρ 两式合起来得:5Dý·(Jf+)=05t5D 与(3)式比较得:JD=5t由于D=ε0E+P_5E5P所以JD=ε0+5t5t即位移电流包括两部分,其前一部分是与电场的变化相联系的,它是一种假想电流,它包含着一个新的规律,即:电场的变化将产生磁场.后一部分是介质极化强度的变化,在5P5E真空中P=0=0,
5、故位移电流仅剩下ε0这一项了,可见,位移电流的基本部分与5t5t“电荷的移动”无关.它本质上是变化着的电场.而传导电流始终是和自由荷的运动相联系的.3 位移电流与传导电流的区别传导电流仅存在与导体中,其幅值与外加电场的频率无关,而位移电流却能在导体、介质和真空中存在.在通常情况下,电介质中主要是位移电流.而导体中的位移电流与外加电场的频率有关,当频率较低时,导体中的位移电流很小,以致可以忽略,但在高频时,导体中的位移电流和传导电流有同等作用.例如:存在一个角频率为ω的交变电场E=E0cosωt.则在导体中的
6、位移电流为:5DJD==-ωεE0sinωt5t而传导电流为:Jf=σE0cosωt.5D
7、
8、5tωε两者幅值之比为:=
9、Jf
10、σωε-17可以看到,只要n1时,JDnJf,对于一般的金属导体来说,εPσ的数量级为10s.σ-17只要是外加电场的频率远远小于10数量级,金属中的位移电流与传导电流相比就可忽略不计了.262辽宁大学学报 自然科学版 2001年由JD=ε0ωE0sinωt和Jf=σE0cosωt知:传导电流与电场强度的相位相同,而位移电流超前传导电流πP
11、2弧度,即传导电流与位移电流有πP2弧度的相位差.如果从电流的热效应去考虑,传导电流产生焦耳热且遵循焦耳—楞次定律.而位移电流却不产生焦耳热.由:5E5PJD=ε0+5t5t知,在真空中,位移电流只能由电场的变化所决定,而没有电荷移动,也就不能产生焦耳热.在介质中,位移电流不仅由电场强度的变化所决定,还与介质极化强度的变化相联系.而极化强度的变化是由束缚电荷因电场改变而移动所产生的,对于介电常数不随温度而改变的非极性分子所组成的电介质来说,这种移动是不消耗能量的,因此,这种情形下的位移电流不会产生焦耳热.对
12、于极性分子所组成的电介质来说,极化强度与温度有关,极化强度随时间的变化伴随着热量的产生,但它不是焦耳热,也不服从焦耳—楞次定律.在低频时,电介质中的位移电流所产生的热量随频率增加很快,但在高频时,电介质中的位移电流将产生较大的热量,且与频率无关.综上所述,位移电流和传导电流是两个不同的物理概念,它们的共同性质是按相同的规律激发磁场,它揭示了电磁场的内在矛盾和运动.不仅电荷和电流可以激发磁场,而且变化的电场和磁场可
