浅谈位移电流与传导电流.docVIP

浅谈位移电流与传导电流 胡孔一 （物理与电气工程学院 安庆 ） :通过对位移电流与传导电流的比较，分析讨论了二者之间的区别。 关键词：位移电流；传导电流；电荷运动 麦克斯韦的电磁场理论，不仅是现代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”假说是麦克斯韦理论的基石，正确理解“位移电流”对掌握整个电磁理论是非常重要的。 1、“位移电流”假说的提出 “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的形式首先提出，后来又经试验验证的。1861年，麦克斯韦对磁场变化产生电动势的现象作了深入的分析，大胆设想：即使不存在回路，变化的磁场也会在其周围激发一种感应电场。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”，进一步论述了“位移电流摘要”。在此之前，人们讨论电流产生磁场时，只指传导电流。麦克斯韦发现：在连着交变电源的电容器中，电介质内并不存在传导电流，却存在着磁场。他对比作了在电场作用下导体内和电介质内所发生的过程，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“电流|”。他指出：只要有电动力作用于导体上，就会产生出传导电流，而当电动力作用于电介质上时，则会使电介质内的分子产生极化，一端显正电，一端显负电。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”，他和传导电流一样能激发磁场，“位移电流”的大小yui电场随时间的变化率成正比。即 因此，“位移电流”激发的磁场，可以认为是随时间变化的电场的结果。 在解释真空中“位移电流|”时麦克斯韦设想：真空中存在以太，相当于介电常数为1的电介质，和普通介质没有区别，真空中的“位移电流”可以认为是以太的结果。 “位移电流”的引入，使麦克斯韦得到以下两个重要原理：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”假说的提出，保证了电流的连续性，使麦克斯韦建立的四个方程成为自洽的理论体系，还把原来相互独立的三个重要的研究领域——电学、磁学和微波理论紧密的联系起来。 关于位移电流的推导 由安培环路定理的微分形式: 对上式的两端同时取散度，即 而，故,这是恒定电流的连续性方程，他和电荷守恒定律相矛盾。因此，安培环路定理对时变电磁场是不成立的。 用一个电容器与时变电压源相连接的电路来说明这种矛盾现象，如图所示。这时，电路中有时变的传导电流，相应的建立时变磁场。选定已闭合回路C为周界的开放曲面，则有安培环路定理得。但是当选定以同一个闭合路径C为周界的另一个开放曲面时，因穿过曲面的传导电流为0，故得。同一个磁场强度矢量H在同一个闭合路径C上的环量得到相矛盾的结果，这说明从静磁场中得到的安培环路定理对时变场是不适用的。 针对上述矛盾，麦克斯韦断言电容器间比存在某种形式的电流。实际上电容器极板上的电荷分布是由外接时变电压源引起的，极板上的时变电荷在极板间形成时变电场。麦克斯韦认为电容器间存在的某种电流就是由极板间的时变电场引起的，称为位移电流。 为了进一步的研究位移电流，假设静电场的高斯定理对时变场仍然成立，将其代入电荷守恒定律，得 即 式中的是电位移矢量随时间的变化率，它的单位是，与电流密度单位相同，故将称为位移电流密度，记为。 故得出时变场的安培环路定理： “位移电流”的概念是麦克斯韦在深入和发展电磁学理论时提出的一个基本假设，关于其与传导电流的异同很多教材上都没有详细的讨论。笔者在教学中曾经尝试着用一些比较方法进行辨析，收到了很好的效果。 将稳恒电流磁场的环路定理： 应用于交变电流（即非稳恒电流）的磁场中时推到出： 即在非稳恒电流的情况下，电位移的时间变化率的作用与传到电流密度的作用相对应，在磁效应方面，二者是等效的。麦克斯韦称其为位移电流密度 ，那么，电位移通量的 时间变化率 ，就称为位移电流 。 麦克斯韦关于位移电流的假设的正确性得到了大量的实验事实证明。位移电流与传导电流相比，唯一的共同之处就是能按同一规律激发涡旋磁场。但二者的本质是不同的，在许多方面有着截然不同的性质。 位移电流的本质是变化着的电场，而传导电流则是自由电荷的定向运动。 由式 可知，凡是在电位移矢量D 发生变化的地方，就有相应的位移电流密度存在，又由于 ，可知