位移电流是 电位移 矢量 随时间的变化率对 曲面 的积分。 英国 物理学家 詹姆斯·麦克斯韦 首先提出这种变化会产生 磁场 的假设,并称其为“位移电流”。但位移电流只表示 电场 的变化率,与传导电流不同,它不产生热效应、化学效应等。
继 电磁感应 现象发现之后,麦克斯韦的这一假设更加深入一步揭示了电现象与磁现象之间的联系。位移电流是建立 麦克斯韦方程组 的一个重要依据。注:位移电流不是电荷作定向运动的电流,但它引起的变化磁场,与传导电流引起的变化磁场等效。
定义
在 电磁学 里,位移电流(displacement current)定义为 电位移 通量对于时间的变化率:
位移电流的单位与电流的单位相同,在SI单位制中单位为安[培]。如同真实的电流,位移电流也会产生 磁场 。但是,位移电流并不是移动的电荷所形成的电流;而是电位移通量对于时间的 偏导数 ,故它不具有传导电流所具有的其它效应,如焦耳热效应和化学效应。
考虑到上式的求导和积分顺序可以交换,上式也可被改写为
式中的 称位移电流密度。
位移电流是指穿过某 曲面 的 电位移 通量 的时间变化率。这是 詹姆斯·麦克斯韦 (1861~1862年)首先引出的一个概念。因为 ,所以位移电流又可表示为i位= 。式中 称为位移电流密度 矢量 j位= 。这样,位移电流等于曲面上位移电流密度的面积分。又因 ,E为 电场 强度矢量,P为该点的 极化 强度矢量,则位移电流密度j位= 为介质极化强度随时间的变化率,它与极化电荷的移动相联系。在真空中这一项等于零,这时j位= ,它与电场强度随时间的变化率相联系,是位移电流的基本组成部分。这个基本部分与电荷的运动无关,本质上是随时间变化的 电场 。 詹姆斯·麦克斯韦 认为位移电流以与传导电流相同的方式激发 磁场 。亦即变化着的电场在其周围空间激发磁场。这样,磁场可由传导电流激发,也可由变化的电场激发,这一假说是产生 电磁波 的必要条件之一。而在实验验证了电磁波的存在之后,这一假说就上升成为电磁理论的基本组成之一。真空中的位移电流,只相当于电场强度随时间的变化,不伴有电荷或任何别的实体的任何运动。即使在介质中,位移电流也不产生化学效应和焦尔热。
定义起源
于1861年, 詹姆斯·麦克斯韦 发表了一篇论文《论物理力线》,提出位移电流的概念。在这篇论文内,他将位移电流项加入了 磁场 的 安培 定律。修改后的定律,现今称为麦克斯韦-安培方程。
在 麦克斯韦 的 1864 年论文《电磁场的动力学理论》内,他用这 麦克斯韦- 安德烈·安培 方程 推导出 电磁波 方程。由于这导引将 电学 、磁学和光学联结成一个统一理论,这创举已被物理学术界公认为物理学史的重大里程碑。位移电流对于电磁波的存在而言是基本的条件。
位移电流也可以描述成: 电容器 充电时,极板间变化的 电场 变化可被视为等效电流。
注意问题
位移电流与传导电流两者相比,唯一共同点仅在于都可以在空间激发 磁场 ,但二者本质是不同的:
(1)位移电流的本质是变化着的电场,而传导电流则是自由电荷的定向运动;
(2)传导电流在通过 导体 时会产生焦耳热,而位移电流则不会产生焦耳热;位移电流也不会产生化学效应;
(3)位移电流也即变化着的电场可以存在于真空、导体、 绝缘介质 中,而传导电流只能存在于导体中;