正確認識_位移電流_

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1、第24卷第3期泰安師專學報Vol.24NO.32002年5月JOURNALOFTAIANTEACHERSCOLLEGEMay12002正確認識“位移電流”李　燕(華中師范大學物理系,湖北武漢　430079)[摘　要]“位移電流”假說是麥克斯韋電磁理論的基礎(chǔ),正確認識這一電流對理解整個電磁場理論是至關(guān)重要的.[關(guān)鍵詞]電位移;位移電流;傳導電流;自由電荷;電流連續(xù)性方程[中圖分類號]O44[文獻標識碼]A[文章編號]1003-7888(2002)03-0042-04麥克斯韋創(chuàng)造的電磁場理論,結(jié)束了長期以來人們對電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象作為兩種獨立無關(guān)的現(xiàn)象的認識,實現(xiàn)了物理學上的一次大統(tǒng)一,它不僅是現(xiàn)代

2、電磁學的精華和電動力學的基礎(chǔ),而且為現(xiàn)代科技的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).提出“位移電流”的假說是麥克斯韋取得輝煌成就所邁出的最為關(guān)鍵的一步.由于“位移電流”的概念抽象難懂,但在電磁場理論中卻有重要地位,對于物理學習者來說,正確認識“位移電流”無疑是非常重要的.1　“位移電流”假說的提出和意義“位移電流”是一種特殊的電流,是麥克斯韋為解決矛盾以假說形式首先提出,后來又經(jīng)實驗驗證的.1861年,麥克斯韋對磁場變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象作了深入分析,大膽設(shè)想:既使不存在導體回路,變化的磁場也會在其周圍激發(fā)出一種感應(yīng)電場.隨之第一次提出了“位移電流”的概念,認為安培環(huán)路定理只有加入“位移電流”這一項,才可使之與

3、法拉第電磁感應(yīng)定律具有對稱性.1862年,他發(fā)表了《論物理的力線》的重要論文,進一步論述了他引入的“位移電流”的概念.在這之前,人們在討論電流產(chǎn)生磁場時,只是指傳導電流,但麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這里存在著很大的矛盾.如:在連接著交變電源的電容器中,電介質(zhì)內(nèi)并不存在自由電荷,因而沒有傳導電流,但在電容器中同樣存在著磁場.這使他想到:既然由磁場的變化引起的磁通量的變化可以產(chǎn)生感應(yīng)電流,那么由電場的變化引起的電通量的變化,是否也會產(chǎn)生磁場呢?麥克斯韋根據(jù)對物理圖象的分析,對比了在電場作用下導體內(nèi)和電介質(zhì)內(nèi)所發(fā)生的過程,結(jié)合力線圖象的對稱性,肯定了在變化的電場作用下,電介質(zhì)內(nèi)也會有一種能夠產(chǎn)生磁效應(yīng)的特殊的電

4、流.他指出,只要有電動力作用于導體上就會產(chǎn)生出一種傳導電流,而當電動力作用于介質(zhì)上時,則會使介質(zhì)內(nèi)的分子產(chǎn)生一種極化狀態(tài),一端顯正電性,另一端顯負電性.隨著電場的變化,這種極化狀態(tài)也會發(fā)生變化,這種變化對于整個電介質(zhì)的影響,是引起電荷在一定方向上總位移的不斷變化,這就是所謂的“位移電流”,它也和傳導電流一樣在自己的周圍激發(fā)磁場“位移電流”的大小與電場隨,時間的變化率成正比.即ωω…5Ei位∝5t因此,圍繞“位移電流”的磁場,可以認為是隨時間變化的電場的結(jié)果.“位移電流”假說的提出,是麥克斯韋理論思維的大膽創(chuàng)造,也是他建立電磁理論的關(guān)鍵一步.這使他可以把以前物理學家們所發(fā)現(xiàn)的導體中的電流產(chǎn)生圍

5、繞電流的磁力線及導體切割磁力線時在導體中產(chǎn)生感應(yīng)電流的兩個基本原理加以擴展,并附加了以下兩個原理,空間里變化的電場產(chǎn)生磁場,空間里變化的磁場產(chǎn)生電場.于是交變電場產(chǎn)生交變磁場,交變磁場產(chǎn)生交變電場,二者相互耦合形成統(tǒng)一的電磁場,并由此預言了電磁波的存在.“位移電流”的引入,不但保證了電流的連續(xù)性,使麥克斯韋得以建立的四個方程成為自洽的關(guān)于電磁場的完整理論體系,還把原來相互獨立的三個重要的物理學研究領(lǐng)域———電學、磁學和光學結(jié)合起來,實現(xiàn)了物理學上的又一次大的[收稿日期]2002—04—05[作者簡介]李　燕(1975-),女,山東泰安人,華中師范大學在讀碩士研究生.第3期　　　　　　　　　　

6、　　　　　李　燕:正確認識“位移電流”　　　　　　　　　　　　　　　　43綜合.除此之外,麥克斯韋提出假說建立電磁場理論的科學發(fā)現(xiàn)過程,揭示了一種重要的物理學研究方法:提出問題———演繹推理———建立假說.恩格斯說過“只要自然科學在思維著,它的發(fā)展形式就是假說.”2　麥克斯韋對“位移電流”的解釋及存在的不足對“位移電流”的解釋首先應(yīng)從“電位移”談起,麥克斯韋在研究平行板電容器時認為“電位移:”是通過垂直于電場方向的平面上單位面積的束縛電荷,由此可見“電位移,”實際上是電通量的反映.但“電位移不是電流,因為當它達到一個確定的值時,它就會保持不變,然而它卻是電流的開始,它的變化構(gòu)成了電流.”所以

7、“位移電流”應(yīng)當是“電位移”對時間ωωωωωωωω的微商.麥克斯韋認為E與D的關(guān)系為E=kD,與力學中的胡克定律F=kX對比可以看出,D與X地位相當,所以麥ωωdS克斯韋把D稱為“電位移”.把電感與電流強度之積Li和力學中質(zhì)量與速度之積m相比較,它們都具有動量的性質(zhì),dtω?D且L與m都表示系統(tǒng)的慣性,故麥克斯韋把稱為一種電流———“位移電流”.?t“位移電流”的引入,解決了安培環(huán)路定理與電流連續(xù)性方程之間的