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1、第24卷第3期泰安师专学报Vol.24NO.32002年5月JOURNALOFTAIANTEACHERSCOLLEGEMay12002正确认识“位移电流”李 燕(华中师范大学物理系,湖北武汉 430079)[摘 要]“位移电流”假说是麦克斯韦电磁理论的基础,正确认识这一电流对理解整个电磁场理论是至关重要的.[关键词]电位移;位移电流;传导电流;自由电荷;电流连续性方程[中图分类号]O44[文献标识码]A[文章编号]1003-7888(2002)03-0042-04麦克斯韦创造的电磁场理论,结束了长期以来人们对电现象和磁现象作为两种独立无关的现象的认识,实现了物理学上的一次大统一,它不仅是现代
2、电磁学的精华和电动力学的基础,而且为现代科技的发展奠定了基础.提出“位移电流”的假说是麦克斯韦取得辉煌成就所迈出的最为关键的一步.由于“位移电流”的概念抽象难懂,但在电磁场理论中却有重要地位,对于物理学习者来说,正确认识“位移电流”无疑是非常重要的.1 “位移电流”假说的提出和意义“位移电流”是一种特殊的电流,是麦克斯韦为解决矛盾以假说形式首先提出,后来又经实验验证的.1861年,麦克斯韦对磁场变化产生感应电动势的现象作了深入分析,大胆设想:既使不存在导体回路,变化的磁场也会在其周围激发出一种感应电场.随之第一次提出了“位移电流”的概念,认为安培环路定理只有加入“位移电流”这一项,才可使之与
3、法拉第电磁感应定律具有对称性.1862年,他发表了《论物理的力线》的重要论文,进一步论述了他引入的“位移电流”的概念.在这之前,人们在讨论电流产生磁场时,只是指传导电流,但麦克斯韦发现这里存在着很大的矛盾.如:在连接着交变电源的电容器中,电介质内并不存在自由电荷,因而没有传导电流,但在电容器中同样存在着磁场.这使他想到:既然由磁场的变化引起的磁通量的变化可以产生感应电流,那么由电场的变化引起的电通量的变化,是否也会产生磁场呢?麦克斯韦根据对物理图象的分析,对比了在电场作用下导体内和电介质内所发生的过程,结合力线图象的对称性,肯定了在变化的电场作用下,电介质内也会有一种能够产生磁效应的特殊的电
4、流.他指出,只要有电动力作用于导体上就会产生出一种传导电流,而当电动力作用于介质上时,则会使介质内的分子产生一种极化状态,一端显正电性,另一端显负电性.随着电场的变化,这种极化状态也会发生变化,这种变化对于整个电介质的影响,是引起电荷在一定方向上总位移的不断变化,这就是所谓的“位移电流”,它也和传导电流一样在自己的周围激发磁场“位移电流”的大小与电场随,时间的变化率成正比.即ωω…5Ei位∝5t因此,围绕“位移电流”的磁场,可以认为是随时间变化的电场的结果.“位移电流”假说的提出,是麦克斯韦理论思维的大胆创造,也是他建立电磁理论的关键一步.这使他可以把以前物理学家们所发现的导体中的电流产生围
5、绕电流的磁力线及导体切割磁力线时在导体中产生感应电流的两个基本原理加以扩展,并附加了以下两个原理,空间里变化的电场产生磁场,空间里变化的磁场产生电场.于是交变电场产生交变磁场,交变磁场产生交变电场,二者相互耦合形成统一的电磁场,并由此预言了电磁波的存在.“位移电流”的引入,不但保证了电流的连续性,使麦克斯韦得以建立的四个方程成为自洽的关于电磁场的完整理论体系,还把原来相互独立的三个重要的物理学研究领域———电学、磁学和光学结合起来,实现了物理学上的又一次大的[收稿日期]2002—04—05[作者简介]李 燕(1975-),女,山东泰安人,华中师范大学在读硕士研究生.第3期
6、 李 燕:正确认识“位移电流” 43综合.除此之外,麦克斯韦提出假说建立电磁场理论的科学发现过程,揭示了一种重要的物理学研究方法:提出问题———演绎推理———建立假说.恩格斯说过“只要自然科学在思维着,它的发展形式就是假说.”2 麦克斯韦对“位移电流”的解释及存在的不足对“位移电流”的解释首先应从“电位移”谈起,麦克斯韦在研究平行板电容器时认为“电位移:”是通过垂直于电场方向的平面上单位面积的束缚电荷,由此可见“电位移,”实际上是电通量的反映.但“电位移不是电流,因为当它达到一个确定的值时,它就会保持不变,然而它却是电流的开始,它的变化构成了电流.”所以
7、“位移电流”应当是“电位移”对时间ωωωωωωωω的微商.麦克斯韦认为E与D的关系为E=kD,与力学中的胡克定律F=kX对比可以看出,D与X地位相当,所以麦ωωdS克斯韦把D称为“电位移”.把电感与电流强度之积Li和力学中质量与速度之积m相比较,它们都具有动量的性质,dtω•D且L与m都表示系统的惯性,故麦克斯韦把称为一种电流———“位移电流”.•t“位移电流”的引入,解决了安培环路定理与电流连续性方程之间的
