经典物理拾阶 16 电磁场理论的基本概念.pdf

第十六章Page1of5

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：

dFe
Id=
dt

称为位移电流强度。
定义这种电流的电流密度为：

dD
=
dddt

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

file://F:\00000\popular\physics_basic\16.htm6/3/2003
第十六章Page2of5

dFe
òHdL=Id=
dt

其中H为位移电流所产生的感生磁场的磁场强度。
这个推广的安培环路定律的物理含义就是位移电流在围绕电流方向的空间产生磁场，磁场强度沿着这
个磁场中任意回路的线积分，等于这个回路所包含的位移电流的电通量的时间变化率。而回路内的电位移
矢量的时间变化率的方向，也即位移电流的方向与磁场强度的环绕方向符合右手法则。
从本质上来看，电流无非就是电场的能量和其他能量形式之间的转换过程中出现的运动现象，而一种
具体的电流形式意味着什么样的能量转换并非总是一样的。在一种具体的电介质或导体中出现什么样的电
流，也是由具体条件决定的。对于传导电流和运流电流，一般只是在导体中出现，通过纯电阻电路时，电
荷粒子与导体结构发生碰撞，就转换为热能了，而位移电流则主要在电介质中出现，因为在电介质中不会
出现实物粒子自由运动的情况，也就不会出现与热能有关的情况。，

最后我们归纳一下在引入涡旋电场和位移电流以后，所有的刻划电场与磁场以及电磁之间的转换的物
理规律：
首先是刻划电场的高斯定理和刻划磁场的高斯定理，这两条分别刻划了电场和磁场的物理特征：
rr
D×dS=q
（1）òSå

Br×dSr=0
（2）òS
这是在电场和磁场分别单独存在时所表现的性质。
然后就是电场与磁场相互以环路正交的形式产生的描述，就是两个环路定律：

rrdFm
òE×dl=-
（3）Ldt

这个公式为电场的环路定律