1、大學(xué)物理知識(shí)點(diǎn)報(bào)告 位移電流 在剛上的電磁場(chǎng)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(gè)概念，對(duì)于其的產(chǎn)生感覺(jué)挺有趣的，就想拿它來(lái)做知識(shí)點(diǎn)報(bào)告的內(nèi)容。在電磁學(xué)里，位移電流定義為電位移對(duì)于時(shí)間的變化率。而它真正的物理意義是：變化的電場(chǎng)可以激發(fā)磁場(chǎng)。但是它并沒(méi)有像電荷移動(dòng)一樣的真實(shí)電流，因而也不會(huì)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(gè)概念是在用安培環(huán)路定理討論非穩(wěn)恒情形時(shí)所產(chǎn)生的矛盾而建立起來(lái)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(chǎng)方程之前，在他關(guān)于電磁場(chǎng)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(chǎng)的動(dòng)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(jì)了電磁作用的力學(xué)模型。他原來(lái)的意圖是想根據(jù)近距作用觀點(diǎn)設(shè)計(jì)一種充滿(mǎn)空間的媒質(zhì), 用以說(shuō)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(xiě)道: “我的目的是研究媒質(zhì)中的張力和運(yùn)動(dòng)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(lái)澄清考察(磁力線)方向的方法。” 后來(lái), 麥克斯韋將他的力學(xué)模型擴(kuò)展到說(shuō)明電現(xiàn)象,在這過(guò)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(shí), 揭示了隱藏在現(xiàn)象深處的本質(zhì)。麥克斯韋通過(guò)磁旋光效應(yīng)意識(shí)到磁是一種旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，認(rèn)為充滿(mǎn)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(shí)針旋轉(zhuǎn)。他聯(lián)想到兩個(gè)齒輪和中間的一個(gè)中心可動(dòng)的惰輪相互嚙合的機(jī)械結(jié)構(gòu),認(rèn)為每個(gè)渦旋被一層粒子把相鄰的渦旋隔開(kāi),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(kāi)渦旋的小圓圈代表細(xì)微粒子這層粒子就起著機(jī)械結(jié)構(gòu)中可動(dòng)惰輪的作用,這層粒子在分子渦旋中只有滾動(dòng)沒(méi)有滑動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度為，介質(zhì)密度為,渦旋的流量為, 則可得到渦旋的動(dòng)能密度、渦旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)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(qiáng)度，為磁導(dǎo)率,為通過(guò)閉合磁力線

4、的密度, 那么就可以得到電磁場(chǎng)的動(dòng)能密度為,運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為和動(dòng)力學(xué)方程。電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程表明磁場(chǎng)中有運(yùn)動(dòng)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(shí)就會(huì)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(shí), 分子渦旋和粒子層都將恢復(fù)原來(lái)位置。麥克斯韋把分子渦旋產(chǎn)生的形變稱(chēng)為電位移, 它與粒子層受到的電力成正比, 因?yàn)槭窃诮橘|(zhì)彈性范圍內(nèi),位移量與外力成正比，所以麥克斯韋寫(xiě)成公式：。表示電場(chǎng)強(qiáng)度（電動(dòng)力），表示電位移，C是介質(zhì)的一個(gè)常數(shù)，麥克斯韋后來(lái)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(shí)，就會(huì)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(duì)時(shí)間的微商，它出現(xiàn)在任何電場(chǎng)強(qiáng)度變化的介質(zhì)中，包括電介質(zhì)以及電磁以太。在當(dāng)時(shí)，麥克斯韋雖然通過(guò)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(guò)多的人為上的假設(shè)并沒(méi)有被當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為是令人信服的證明。與他同時(shí)代的人也感到迷惑不解，麥克斯韋在的在當(dāng)時(shí)曾寫(xiě)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(shí)聯(lián)系，因此，我敢于說(shuō)任何理解到這一假設(shè)的暫時(shí)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(duì)的。”這也告訴我們一個(gè)全新

6、的觀點(diǎn)的提出總是不是那么容易就被人們所接受的，這時(shí)就需要提出者對(duì)自己的自信與堅(jiān)持。而正是麥克斯韋的自信讓我們現(xiàn)在有了這么一個(gè)如此美的電磁場(chǎng)的知識(shí)點(diǎn)。麥克斯韋提關(guān)于電磁場(chǎng)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(duì)稱(chēng)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(lái)的“一個(gè)變化的磁場(chǎng)總有一個(gè)電場(chǎng)伴隨著。”而在麥克斯韋引入位移電流的概念后，出現(xiàn)了與之完全對(duì)稱(chēng)的一個(gè)結(jié)論“一個(gè)變化的電場(chǎng)總有一個(gè)磁場(chǎng)伴隨著。”電與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(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。位移電流概念的提出可以說(shuō)對(duì)整個(gè)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(lài)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(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波存在的真實(shí)性。從此將人類(lèi)帶入了一個(gè)新的無(wú)線電的世界。就目前看來(lái)，我覺(jué)得電磁場(chǎng)理論可以說(shuō)是一個(gè)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(wú)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(duì)立、對(duì)稱(chēng)、互補(bǔ)的統(tǒng)一美！麥克斯韋在對(duì)電磁場(chǎng)