关于位移电流和传导电流的教学探讨

2011-11-08卢艳，吴昌

池州学院学报 2011年6期

关键词：热效应导体大学物理

卢艳，吴昌

(1.安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥 230039;2.电子工程学院，安徽合肥 230037)

关于位移电流和传导电流的教学探讨

卢艳1，吴昌2

(1.安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥 230039;2.电子工程学院，安徽合肥 230037)

通过比较分析位移电流和传导电流的相同点和诸多不同点，分析得出了《大学物理》和《电磁场理论》课程教学中的位移电流和传导电流的本质区别，即产生磁效应和热效应的物理机制完全不同，并在此基础上拓展运流电流、全电流的物理概念，从而促进课堂物理教学。

位移电流；传导电流；运流电流；全电流

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。笔者在这两门课程的教学过程中发现，学生对位移电流和传导电流的本质和特性，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概念的混淆。因此，我们有必要帮助学生建立正确的物理概念和图像。关于位移电流和传导电流的不同点，已有一些学者从不同的角度进行了讨论。如，二者的相位[1]、激发磁场的方式[2-3]以及产生热效应的方式[4]。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。

1 “位移电流”假说的提出及其物理意义

我校的《大学物理》课程选用的教材[5]以及其它面向理工科学生开设的《大学物理》课程教材[6,7]中，有关位移电流的提出都是源于将稳恒电流的安培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位移电流的概念。具体如下。

稳恒电流的安培环路定理：

2 位移电流和传导电流的联系和区别

教材中位移电流的引入主要是解决安培环路定理与电流连续性方程之间的矛盾，所以学生在学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进行适当的教学拓展，并通过对位移电流和传导电流的比较分析，来促进学生理解物理概念和提高科研思维能力。

2.1 关于电流磁效应的问题[2-3]

由麦克斯韦方程组：

我们知道，不仅电荷激发电场，变化的磁场也能激发电场；传导电流具有磁效应，位移电流也同样具有磁效应。那是不是就能认为位移电流和传导电流的本质相同，都是电荷在导体中的定向运动呢？这个问题是我们在教学过程中首先要跟学生强调的问题。尽管从激发磁场的形式上看，位移电流和传导电流是一样。但是我们更要注意，麦克斯韦给出的位移电流表达式是，意味着位移电流是由变化的电场带来，或者更加确切地说位移电流的磁效应，归根结底是变化电场的磁效应。相比传导电流Ic依赖于电荷，存在于导体内部,位移电流Id则是由变化的电场带来，只要空间中存在变化的电场，就有相应的位移电流，故此它可以存在于真空、介质和导体中。

因此，在电流激发磁场这个问题上，我们可以帮助学生比较位移电流和传导电流的相同之处，即以相同的规律激发涡旋磁场；但两种电流的“源”又不相同，位移电流来源于变化着的电场，而传导电流则是自由电荷在导体中的定向运动。

2.2 关于电流热效应的问题[4]

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：是不是位移电流就不会产生热效应呢？这个问题也是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撞，因此传导电流会带来热效应，服从焦耳——楞次定律。而对于位移电流，电流密度表示为。在真空或是导体中，极化强度，电流仅由变化的电场产生，与电荷的定向运动无关，因此位移电流在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电场贡献，又包含电介质极化强度变化的贡献，而这种极化强度的变化是由极化电荷因电场的改变而反复运动所产生的。对于非极性分子组成的电介质，其介电常数不随温度改变，因此这种反复运动不需要消耗能量，当然也就不会产生焦耳热；而极性分子的情况则不同，由极性分子组成的电介质的极化强度与温度有关，伴随极化强度的改变会有热量的产生，尤其在高频电磁场中，电介质中的位移电流会产生很大的热量。如微波炉所利用的就是位移电流的热效应，但这种热效应不遵守焦耳定律，是一个较为复杂的过程。

通过上面的分析，我们不难解释学生的疑问，位移电流的实质是变化的电场，无论是在导体、真空还是介质中，它都不会产生焦耳热，但这并不代表它没有热效应，不能忽视位移电流在介质中还是有热效应的，只不过这种热不是焦耳热。

2.3 位移电流的教学拓展

在《大学物理》，特别是《电磁场理论》课程教学中我们还发现有些例题或是课外读物中会出现全电流、运流电流等名词，对这些名词的诠释可以进一步帮助学生梳理物理概念，从而更好地认识电磁理论。

教材中的麦克斯韦方程组只考虑了两种电流：传导电流和位移电流。传导电流指的是导体中的自由电荷在电场作用下的定向运动；实际上，这种自由电荷不仅仅存在于导体中，半导体中的导电电子和空穴以及电解液中的离子形成的电流都与自由电荷的运动有关。因此，更普遍地可将与自由电荷运动有关的电流密度称为自由电流密度，表示为j其中代表的就是运流电流密度，故运流电流的定义是除了传导电流之外的其他形式的自由电流。

一般情况下，空间中不仅存在电介质还存在磁介质，若整个空间又处于变化的电磁场中，则变化的电磁场会引起物质的极化强度和磁化强度随时间改变，产生极化电流和磁化电流，其电流密度分别为这样一来，全空间的电流密度即全电流密度可表示成。即全电流包含了传导电流、运流电流、极化电流、磁化电流及电场强度的变化引起的电流。