1、大學(xué)物理知識點報告 位移電流 在剛上的電磁場與電磁波這一章中的第一節(jié)麥克斯韋的電磁理論中，我學(xué)習(xí)到了位移電流這個概念，對于其的產(chǎn)生感覺挺有趣的，就想拿它來做知識點報告的內(nèi)容。在電磁學(xué)里，位移電流定義為電位移對于時間的變化率。而它真正的物理意義是：變化的電場可以激發(fā)磁場。但是它并沒有像電荷移動一樣的真實電流，因而也不會像導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流那樣可以產(chǎn)生焦耳熱。在課堂上，這個概念是在用安培環(huán)路定理討論非穩(wěn)恒情形時所產(chǎn)生的矛盾而建立起來的。課后，我查閱了相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)位移電流是在麥克斯韋得出電磁場方程之前，在他關(guān)于電磁場理論的第二篇論文論物理的力線中提出的概念。之后，麥克斯韋在第三篇論文電磁場的動力學(xué)理論

2、中再次給出了位移電流的定量形式。在麥克斯韋的第二篇論文論物理的力線中, 他設(shè)計了電磁作用的力學(xué)模型。他原來的意圖是想根據(jù)近距作用觀點設(shè)計一種充滿空間的媒質(zhì), 用以說明法拉第設(shè)想的磁力線的應(yīng)力性質(zhì), 麥克斯韋在文中寫道: “我的目的是研究媒質(zhì)中的張力和運動的某些狀態(tài)的力學(xué)效果, 并將它們與所觀察到的磁和電的現(xiàn)象作比較, 來澄清考察(磁力線)方向的方法?！?后來, 麥克斯韋將他的力學(xué)模型擴展到說明電現(xiàn)象,在這過程中產(chǎn)生了電位移的變化可看作電流的一部分以及光是媒質(zhì)中起源于電磁作用的橫波等新的認(rèn)識, 揭示了隱藏在現(xiàn)象深處的本質(zhì)。麥克斯韋通過磁旋光效應(yīng)意識到磁是一種旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，認(rèn)為充滿空間的介質(zhì)在磁作用下

3、可看作一系列的“分子渦旋”。他假設(shè)分子渦旋繞磁力線(即H線)旋轉(zhuǎn),即從S極到N極沿磁力線看去,渦旋以順時針旋轉(zhuǎn)。他聯(lián)想到兩個齒輪和中間的一個中心可動的惰輪相互嚙合的機械結(jié)構(gòu),認(rèn)為每個渦旋被一層粒子把相鄰的渦旋隔開,如圖1所示AB代表由A到B方向上的電流, 六角形代表分子渦旋,分開渦旋的小圓圈代表細(xì)微粒子這層粒子就起著機械結(jié)構(gòu)中可動惰輪的作用,這層粒子在分子渦旋中只有滾動沒有滑動粒子和渦旋之間作用力沿接觸面的切線方向若渦旋的圓周運動速度為，介質(zhì)密度為,渦旋的流量為, 則可得到渦旋的動能密度、渦旋的運動學(xué)方程和動力學(xué)方程。麥克斯韋將力學(xué)模型推廣到電磁學(xué),設(shè)H表示磁力強度，為磁導(dǎo)率,為通過閉合磁力線

4、的密度, 那么就可以得到電磁場的動能密度為,運動學(xué)方程為和動力學(xué)方程。電磁場的運動學(xué)方程表明磁場中有運動電荷或電流。那么什么是介質(zhì)中的電荷或電流呢? 麥克斯韋在其論文的第三部分中指出: 分子渦旋具有彈性,當(dāng)渦旋之間的粒子層受到電力而產(chǎn)生位移時就會給渦旋以切向力使之產(chǎn)生形變, 而產(chǎn)生形變的分子渦旋給粒子層大小相等方向相反的作用力。當(dāng)該電力撤消時, 分子渦旋和粒子層都將恢復(fù)原來位置。麥克斯韋把分子渦旋產(chǎn)生的形變稱為電位移, 它與粒子層受到的電力成正比, 因為是在介質(zhì)彈性范圍內(nèi),位移量與外力成正比，所以麥克斯韋寫成公式：。表示電場強度（電動力），表示電位移，C是介質(zhì)的一個常數(shù)，麥克斯韋后來證明C等于

5、電磁波在介質(zhì)中的速度。當(dāng)電位移不斷變化時，就會形成電流，方向有電位移的增大或減小而定是沿正方向還是負(fù)方向，位移電流是電位移對時間的微商，它出現(xiàn)在任何電場強度變化的介質(zhì)中，包括電介質(zhì)以及電磁以太。在當(dāng)時，麥克斯韋雖然通過介質(zhì)的力學(xué)模型提出了位移電流的假設(shè)，但是復(fù)雜的模型，過多的人為上的假設(shè)并沒有被當(dāng)時的人們認(rèn)為是令人信服的證明。與他同時代的人也感到迷惑不解，麥克斯韋在的在當(dāng)時曾寫下這么一段話：“這是力學(xué)上可以想象和便于研究的一種聯(lián)系模型，它適宜于顯示已知電磁現(xiàn)象之間的真實聯(lián)系，因此，我敢于說任何理解到這一假設(shè)的暫時性質(zhì)的人將發(fā)現(xiàn)，在他真正理解這些現(xiàn)象后的研究是利多于弊對的?！边@也告訴我們一個全新

6、的觀點的提出總是不是那么容易就被人們所接受的，這時就需要提出者對自己的自信與堅持。而正是麥克斯韋的自信讓我們現(xiàn)在有了這么一個如此美的電磁場的知識點。麥克斯韋提關(guān)于電磁場理論的完善給我最大的震撼就是科學(xué)可以如此地神奇，電與磁的完美對稱讓人為之感嘆，讓人充分感受到了科學(xué)的美。從法拉第概括出來的“一個變化的磁場總有一個電場伴隨著?！倍邴溈怂鬼f引入位移電流的概念后，出現(xiàn)了與之完全對稱的一個結(jié)論“一個變化的電場總有一個磁場伴隨著?！彪娕c磁因此也變得密不可分，他們相互聯(lián)系相互激發(fā)組成一個統(tǒng)一的電磁場。位移電流概念的提出可以說對整個電磁學(xué)領(lǐng)域的意義都是十分重大的。麥克斯韋在提出了位移電流的概念之后，又建立了麥克斯韋方程組，而麥克斯韋方程組也真正體現(xiàn)了電與磁是相互激發(fā)、相互依賴的不可分割整體的性質(zhì)。此后，麥克斯韋又預(yù)言了電磁波的存在。50年之后，赫茲從實驗上證實了電磁波存在的真實性。從此將人類帶入了一個新的無線電的世界。就目前看來，我覺得電磁場理論可以說是一個結(jié)構(gòu)完善、完整的理論了，其理論表現(xiàn)出優(yōu)美的結(jié)構(gòu)體系！電與磁，無論在其建立發(fā)展史上、結(jié)構(gòu)上、理論體系上，還是在數(shù)學(xué)表達(dá)形式上或理論應(yīng)用上都表現(xiàn)出對立、對稱、互補的統(tǒng)一美！麥克斯韋在對電磁場