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——位移电流
在刚上的电磁场与电磁波这一章中的第一节麦克斯韦的电磁理论中,我学****到了位移电流这个概念,对于其的产生感觉挺有趣的,就想拿它来做知识点报告的内容。
在电磁学里,位移电流定义为电位移对于时间的变化率。而它真正的物理意义是:变化的电场可以激发磁场。但是它并没有像电荷移动一样的真实电流,因而也不会像导体中传导电流那样可以产生焦耳热。在课堂上,这个概念是在用安培环路定理讨论非稳恒情形时所产生的矛盾而建立起来的。
课后,我查阅了相关资料,发现位移电流是在麦克斯韦得出电磁场方程之前,在他关于电磁场理论的第二篇论文《论物理的力线》中提出的概念。之后,麦克斯韦在第三篇论文《电磁场的动力学理论》中再次给出了位移电流的定量形式。
在麦克斯韦的第二篇论文《论物理的力线》中,他设计了电磁作用的力学模型。他原来的意图是想根据近距作用观点设计一种充满空间的媒质,用以说明法拉第设想的磁力线的应力性质,麦克斯韦在文中写道:“我的目的是研究媒质中的张力和运动的某些状态的力学效果,并将它们与所观察到的磁和电的现象作比较,来澄清考察(磁力线)方向的方法。”后来,麦克斯韦将他的力学模型扩展到说明电现象,在这过程中产生了电位移的变化可看作电流的一部分以及光是媒质中起源于电磁作用的横波等新的认识,揭示了隐藏在现象深处的本质。
麦克斯韦通过磁旋光效应意识到磁是一种旋转效应,认为充满空间的介质在磁作用下可看作一系列的“分子涡旋”。他假设分子涡旋绕磁力线(即H线)旋转,即从S极到N极沿磁力线看去,涡旋以顺时针旋转。他联想到两个齿轮和中间的一个中心可动的惰轮相互啮合的机械结构,认为每个涡旋被一层粒子把相邻的涡旋隔开,如图1所示AB代表由A到B方向上的电流,六角形代表分子涡旋,分开涡旋的小圆圈代表细微粒子这层粒子就起着机械结构中可动惰轮的作用,这层粒子在分子涡旋中只有滚动没有滑动粒子和涡旋之间作用力沿接触面的切线方向若涡旋的圆周运动速度为,介质密度为μ,涡旋的流量为,则可得到涡旋的动能密度、涡旋的运动学方程和动力学方程。麦克斯韦将力学模型推广到电磁学,设H表示磁力强度,μ为磁导率,为通过闭合磁力线的密度,那么就可以得到电磁场的动能密度为,运动学方程为和动力学方程。电磁场的运动学方程表明磁场中有运动电荷或电流。那么什么是介质中的电荷或电流呢?麦克斯韦在其论文的第三部分中指出:分子涡旋具有弹性,当涡旋之间的粒子层受到电力而产生位移时就会给涡旋以切向力使之产生形变,而产生形变的分子涡旋给粒子层大小相等方向相反的作用力。当该电力撤消时,分子涡旋和粒子层都将恢复原来位置。麦克斯韦把分子涡旋产生的形变称为电位移,它与粒子层受到的电力成正比,因为是在介质弹性范围内,位移量与外力成正比,所以麦克斯韦写成公式:
。表示电场强度(电动力),表示电位移,C是介质的一个常数,麦克斯韦后来证明C等于电磁波在介质中的速度。当电位移不断变化时,就会形成电流,方向有电位移的增大或减小而定是沿正方向还是负方向,位移电流是电位移对时间的微商,它出现在任何电场强度变化的介质中,包括电介质以及电磁以太。
在当时,麦克斯韦虽然通过介质的力学模型提出了位移电流的假设,但是复杂的模型,过多的人为上的假设并没有被当时的人们认为是令人信服的证明。与他同时代的人也感到迷惑不解,麦克斯韦在的在当时曾写下这么一段话:“这是力学上可以想象和便于研究的一种联系模型,它适宜于显示已知电磁现象之间的真实联系,因此,我敢于说任何理解到这一假设的暂时性质的人将发现,在他真正理解这些现象后的研究是利多于弊对的。”这也告诉我们一个全新的观点的提出总是不是那么容易就被人们所接受的,这时就需要提出者对自己的自信与坚持。而正是麦克斯韦的自信让我们现在有了这么一个如此美的电磁场的知识点。
麦克斯韦提关于电磁场理论的完善给我最大的震撼就是科学可以如此地神奇,电与磁的完美对称让人为之感叹,让人充分感受到了科学的美。从法拉第概括出来的“一个变化的磁场总有一个电场伴随着。”而在麦克斯韦引入位移电流的概念后,出现了与之完全对称的一个结论“一个变化的电场总有一个磁场伴随着。”电与磁因此也变得密不可分,他们相互联系相互激发组成一个统一的电磁场。位移电流概念的提出可以说对整个电磁学领域的意义都是十分重大的。
麦克斯韦在提出了位移电流的概念之后,又建立了麦克斯韦方程组,而麦克斯韦方程组也真正体现了电与磁是相互激发、相互依赖的不可分割整体的性质。此后,麦克斯韦又预言了电磁波的存在。50年之后,赫兹从实验上证实了电磁波存在的真实性。从此将人类带入了一个新的无线电的世界。
就目前看来,我觉得电磁场理论可以说是一个结构完善、完整的理论了,其理论表现出优美的结构体系!电与磁,无论在其建立发展史上、结构上、理论体系上,还是在数学表达形式上或理论应用上都表现出对立、对称、互补的统一美!
麦克斯韦在对电磁场理论做出重大贡献的这一过程让我体会到在科学探究的路上,我们需要有大胆的思维,要敢于突破常规,敢于创新,同时,也应该学会用各种思想,比如说类比的思想,建模的思想等等来证实我们自己的观点。