《经典物理拾阶》系列

第十六章

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第十六章.电磁场理论的基本概念. 让我们还是先回顾一下已经学过的知识.对于电磁现象,尽管我们仍然还是从力学的角度来理解各种各样的物理对象以及物理过程,但最关键的是引入了场的概念,首先我们引入了静电场,是由静止电荷所激发出来的,是不能离开电荷而单独存在的.然后我们应用牛顿力学的方法,从电场对电荷的力学作用的角度,刻画了电场的一般性质.至于稳恒电流,则是静电场中的电荷定向运动.后来我们把磁现象理解为由电流所产生的.由此得到电流产生磁场,而磁场又能产生电流与电场的一系列规律,其中涡旋电场的概念更是强调了场的独立的物质性.这些已经提示我们,在电磁现象中,场扮演着更为重要的角色,从场的观念出发,能得到关于电磁现象的更深刻的理解.麦克斯韦电磁场理论正是全面地阐明了电磁现象基于场的统一性.麦克斯韦电磁场理论的基本概念.从上面的回顾,可以看到,已经出场的角色是静电场,电流,变化磁场,和涡旋电场.麦克斯韦最关键的贡献就是引入了最后一个关键角色—变化的电场,他认为不止是静电场中的稳恒电流能产生磁场,变化的电场更应该能产生磁场,只不过不太容易被观察到而已.这个关键性的观念直接导致了麦克斯韦电磁场理论—可以说是牛顿力学后,物理学历史上的第二个人类理性的辉煌胜利.把变化的电场作为一个电磁现象中的角色,关键就是把变化的电场也看成一种电流,这就是麦克斯韦提出的位移电流的概念.回顾一下我们已经学习过的两种电流形式—传导电流和运流电流.传导电流是电荷定向地传递相互作用,而运流电流则是电荷自身的宏观定向运动.这两种电流都可以通过静电场来产生,但无法用来描述变化的电场所传递的相互作用,而通过变化的电场来传递相互作用却是我们还没能加以描述的物理过程.电流本身就在一些情况下需要通过变化的电场来传递相互作用,最典型的例子就是包含电容的闭合电路.我们知道电容本身是不可能传导电流的,但接入电容器的闭合电路并不就是等于断开了电路.电容器仍然起到了传递相互作用的作用.这种相互作用体现在电容器的充电与放电的过程中.无论是充电还是放电,在电容器的极板之间的空间中出现了变化的电场,这个变化电场通过储存和放出能量来响应电路中的电流变化.如果我们考虑这个变化电场的电通量的时间变化率,就会发现总是和电路中的电流大小相等.而电位移矢量的时间变化率的方向总是和电路中的电流的方向一致,那么我们很自然地就可以把这个变化的电场看成一种等效的电流,而整个电

路的电流就没有因为电容的缘故而断开,而是仍然保持连续性.因此我们定义这种电流的电流强度为:

Id=

dΦe dt

称为位移电流强度.定义这种电流的电流密度为:

δ

d

=

dD dt

称为位移电流密度.也就是说称这种电流为位移电流.进一步我们把所有的三种电流统一起来,称为全电流,即这三种电流的代数和.在电路上的任何地方,我们总是需要从全电流开始考虑,只有在全电流的意义上,电流的连续性才是在任何情况下都成立的.然后类似于传导电流和运流电流,位移电流也应该在环绕电流方向的空间产生磁场,而且也应该遵循安培环路定律,因此有

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6/3/2003