关于位移电流和传导电流的教学探讨

关于位移电流和传导电流的教学探讨 位移电流和传导电流是《大学物理》和《电磁场 理论》课程中的两个重要物理概念。 笔者在这两门 (2) 课程的教学过程中发现，学生对位移电流和传导电 軑 即在非稳恒电流的情况下，电位移矢量D的时流的本质和特性，以及它们之间的联系与区别不是 很清楚，或者说在理解过程中存在一些错误认识和 軑 Dα 軆 间变化率 的作用与传导电流密度 j 的作用相c 概念的混淆。 因此，我们有必要帮助学生建立正确 α t 的物理概念和图像。 关于位移电流和传导电流的不 軆对应，故麦克斯韦称其为位移电流密度 ，从而，电 j d同点，已有一些学者从不同的角度进行了讨论。 如， [1][2-3] 位移通量的时间变化率就称为位移电流 I。 d二者的相位、激发磁场的方式以及产生热效应 [4] 这个假说的正确性毋庸置疑，它和导体中自由电子的方式。 但是在这些不同的点中，哪些是属于本质 的或者哪些是属于物理本质层面的至今尚无讨论。 形成的传导电流一样都可产生磁场。 位移电流的真 实存在，证实了上述假说的正确性，保证了电流的 连续性，使麦克斯韦建立的四个方程成为自洽的理 1 “位移电流”假说的提出及其物理意义 论体系，在物理学的发展史上将三个独立的研究领 [5]我校的《大学物理》课程选用的教材以及其它 域—电学、磁学和光学首次结合起来，实现了物理[6,7]面向理工科学生开设的《大学物理》课程教材中， 学的一次重大突破。 有关位移电流的提出都是源于将稳恒电流的安培 位移电流和传导电流的联系和区别2 环路定理应用到非稳恒电流情形时所引起的矛盾， 而麦克斯韦正是为了解决这个矛盾大胆地提出了 教材中位移电流的引入主要是解决安培环路位移电流的概念。 具体如下。 定理与电流连续性方程之间的矛盾，所以学生在学稳恒电流的安培环路定理, 习过程中往往容易忽视位移电流本身的物理本质。 下面我们就日常教学过程中几个突出的疑难问题 做出解释，针对学生的疑问尝试对位移电流的讲授(1) ，并通过对位移电流和传导电进行适当的教学拓展軖即稳恒电流磁场的磁场强度H 沿任意闭合回 流的比较分析，来促进学生理解物理概念和提高科軆路 L 的积分等于电流密度 j 沿该闭合回路所包围 c 研思维能力。軋[2-3]的曲面S的积分。 将其应用到非稳恒电流的情形，为 2.1 关于电流磁效应的问题 了满足电流连续性方程，则必须修正为, 由麦克斯韦方程组, 收稿日期,2011-12 基金项目,国家自然科学基金,10704001,;教育部科学技术研究重点项目,210092, 。 作者简介,卢艳(1981) ), 女，安徽黄山人，安徽大学物理与材料科学学院讲师，硕士，研究方向为脉冲功率和等离子体,吴昌 (1980) ),男，安 徽合肥人，电子工程学院讲师，主要从事物理教学。 的运动有关。因此，更普遍地可将与自由电荷运动有 ，就有相应的位移电流，故此它可以存在于的电场軆軆軆真空、介质和导体中。 关的电流密度称为自由电流密度，示为j = j + j 。 自运c 軆因此，在电流激发磁场这个问题上，我们可以 其中j 代表的就是运流电流密度，故运流电流的定 运 帮助学生比较位移电流和传导电流的相同之处，即 义是除了传导电流之外的其他形式的自由电流。 以相同的规律激发涡旋磁场,但两种电流的“源”一般情况下，空间中不仅存在电介质还存在磁 又 不相同，位移电流来源于变化着的电场，而传介质，若整个空间又处于变化的电磁场中，则变化 导电 流则是自由电荷在导体中的定向运动。 的电磁场会引起物质的极化强度和磁化强度随时 [4]间改变，产生极化电流和磁化电流，其电流密度分 关于电流热效应的问题2.2 既然我们强调“位移电流”不是电流，其实质 是 变化的电场，那么就会有同学提出疑问,是不 。这样一 来，全空间别为和 是位 移电流就不会产生热效应呢, 这个问题也是 的电流密度即全电流密度可表示成。我们在 课堂教学过程中需要重点解释的问题。 由 于自由电 荷在导体中运动时会与导体结构发生碰 即 全 电 撞，因此传 导电流会带来热效应，服从焦耳—楞—流包含了传导电流、运流电流、极化电流、磁化电流 次定律。 而 及电场强度的变化引起的电流。 对于位移电流， 电流密度表示为。 结论3 在真空或是导体中，极化强度，电流仅由变化的电 综上所述，产生磁效应和热效应的物理机制完 场产生，与电荷的定向运动无关，因此位移电流在 全不同是位移电流和传导电流的最本质区别。 导体中不产生热效应。 但是对于电介质中的位移电 流,情况有所不同。 电介质中的位移电流既有变化 参考文献: 电场贡献， 又包含电介质极化强度变化的贡献，而 [1]李淑芬. 浅析位移电流与传导电流的区别[J]. 赤峰学院学 这种极化强度的变化是由极化电荷因电场的改变 报,自然科学版, 2005(5,)14-15. 而反复运动所产生的。 对于非极性分子组成的电介 [2]赵凯华. 再论位移电流与传导电流不以同样规律( 方式) 激 质，其介电常数不随温度改变，因此这种反复运动 发磁场[J]. 大学物理, 2008，20,8,29,-31. 不需要消耗能量，当然也就不会产生焦耳热,而极 [3]李元勋. 真空中的“位移电流”和传导电流以同样规律激 发 磁场吗, [J]. 大学物理, 1995.14(4):14-17. 性分子的情况则不同，由极性分子组成的电介质的 [4]冯杰. 位移电流的热效应探讨[J]. 华南师范大学学报,自然 极化强度与温度有关，伴随极化强度的改变会有热 科学版, 1999(2):55-60. 量的产生，尤其在高频电磁场中，电介质中的位移 韩家骅，等大学物理学 版合肥, 安徽大学出版社， [5]. [M].2 .2009.电流会产生很大的热量。 如微波炉所利用的就是位 [6]东南大学等七所工科院校. 物理学[M]. 5 版. 马文蔚,改编. 北京,高等教育出版社， 2006.移电流的热效应， 但这种热效应不遵守焦耳定律， [7] 程守洙 ， 江 之 洙 ， 等. 普 通 物 理 学[M]. 北 京 , 高 等 教 育 出 版 是一个较为复杂的过程。 社，2006. [责任编辑,桂传友]