对麦克斯韦电磁场理论的研究与实验探讨

('对麦克斯韦电磁场理论的研究与实验探讨摘要：麦克斯韦（JamesClarkMaxwell，1831~1879）全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“感生电场”和“位移电流”的假说，加强对麦克斯韦电磁场理论的研究与实验探讨具有很强的现实需要。文章从两个方面多维度阐述“感生电场”和“位移电流”问题，从而明确了麦克斯韦建立“感生电场”和“位移电流”提出机理、相关属性、内在特点等，为研究与实验麦克斯韦电磁场理论创造了条件。关键词：麦克斯韦；感生电场；位移电流麦克斯韦（JamesClarkMaxwell，1831~1879）是英国物理学家，他是继法拉第之后，又一位集电磁学大成于一身的伟大科学家。他全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“电场感生”和“位移电流”的假说，建立了完整的电磁场理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。一、麦克斯韦提出的两个假设变化的磁场可产生涡旋电场；变化的电场（位移电流）可产生磁场。二、对麦克斯韦电磁场理论假设之感生电场的研究与实验探讨（一）变化的磁场产生电场如图1所示，闭合线圈中，若通过的磁通量变化，也就是线圈所在处的磁场变化，此时线圈中就有感应电流产生。由电场的知识我们知道：电流是在电场力的作用下，由电荷的定向移动形成的，线圈中有电流，即线圈所在处有电场产生，而磁场不变化时无感应电流，即线圈中无电场，可以推理这个电场的产生是由于线圈周围的磁场变化引起的。线圈的存在只是提供了产生感应电流的物质条件，使我们能够通过电流的产生探知线圈中产生了电场。若把线圈拿开，保持磁场按原来的规律变化，在原来放置线圈的空间，产生的电场仍然存在。既变化的磁场可以在其周围空间产生电场，如图2所示。对麦克斯韦开创性地抛开了具体的闭合电路和其中的磁通量变化，把法拉第提出的电场、磁场概念发挥得淋漓尽致，使我们既认识到了电磁感应的本质就是变化的磁场激发电场，又扩展了人们的思维，启发人们去想：能否通过变化的电场获得磁场，这正是麦克斯韦电磁场理论的第二大支柱。（二）全电流全电流：对于普遍的情况，麦克斯韦认为传导电流和位移电流都可能存在，他提出了全电流的概念：传导电流和位移电流之和称为全电流。对于任何电路，全电流是处处连续的。运用全电流的概念，可以自然地解释清楚电容器充放电过程中电流的连续性问题。全电流定律：借助于位移电流和全电流的概念，麦克斯韦把安培环路定理推广到变化的电磁场也适用的普遍形式，得到：此式称为全电流定律。在真空中安培环路定理表示成更为简洁的形式：此式不仅更清楚地揭示出变化的电场可以激发磁场，而且变化的电场和它激发的磁场在方向上呈右手螺旋关系。将上式与感应电场的环流（）比较，易见两个方程是非常对称的。但有一点不同，变化的磁场和它激发的电场在方向上满足左手螺旋关系。三、对麦克斯韦电磁场理论假设之位移电流的研究与实验探讨（一）理论的探讨1．稳恒电流磁场。对稳恒电流的磁场，有安培环路定理：式中I是穿过以Ｌ回路为边界的任意曲面Ｓ的传导电流。对于稳恒电路（图(1)），传导电流是闭合的，取任意回路Ｌ，穿过以Ｌ为边界的任意曲面Ｓ的传导电流都相等:对非稳恒电流（图(2)），考虑电容器充放电时的电路，在以Ｌ为边界的环路上作两个曲面S1和S2。若按S1面计算穿过L的电流，等于I。但如果按S2面计算，没有电流通过L回路.这样就出现了矛盾，说明上述安培环路定理不成立。安培环路定律在非恒定场中必须加以修正。安培环路定理失效的根本原因，是由于传导电流在电容器两极板间中断。（二）位移电流假设下面分析电容器充放电时导线上的传导电流和极板上电荷、极板间的电位移对时间的变化率之间的关系：电容器充电时，极板间电场增加，的方向和传导电流同向。放电时，极板间电场减小，的方向仍和传导电流同向。设电容器极板的面积为S，极板上电荷面密度为，按照电荷守恒定律，在任意时刻导线中的传导电流强度等于极板上电量的时间变化率，即：已知平行板电容器极板间的电位移矢量D的大小：D=，再考虑到极板间变化电场的方向和传导电流同向，因此可将上式写成：结论：在非恒定电流的情况下，电位移的时间变化率与电流密度相当，变化的电场等效地也是一种“电流”，它也能产生磁场。这就是麦克斯韦提出的著名的位移电流假说，他将电位移通量的时间变化率称为位移电流Id，而把电位移Ｄ的时间变化率称为位移电流密度麦克斯韦位移电流假设的正确性得到了大量事实的证明。（三）实验探讨[例]半径R=0.1m的两块导体圆板，构成空气平板电容器。充电时，极板间的电场强度以dE/dt=1012Vm-1s-1的变化率增加。求←两极板间的位移电流ID；↑距两极板中心连线为r(r