關于位移電流和傳導電流的教學探討

盧 艷，吳 昌

(1.安徽大學 物理與材料科學學院，安徽 合肥 230039;2.電子工程學院，安徽 合肥 230037)

關于位移電流和傳導電流的教學探討

盧 艷1，吳 昌2

(1.安徽大學 物理與材料科學學院，安徽 合肥 230039;2.電子工程學院，安徽 合肥 230037)

通過比較分析位移電流和傳導電流的相同點和諸多不同點，分析得出了《大學物理》和《電磁場理論》課程教學中的位移電流和傳導電流的本質區別，即產生磁效應和熱效應的物理機制完全不同，并在此基礎上拓展運流電流、全電流的物理概念，從而促進課堂物理教學。

位移電流；傳導電流；運流電流；全電流

位移電流和傳導電流是《大學物理》和《電磁場理論》課程中的兩個重要物理概念。筆者在這兩門課程的教學過程中發現，學生對位移電流和傳導電流的本質和特性，以及它們之間的聯系與區別不是很清楚，或者說在理解過程中存在一些錯誤認識和概念的混淆。因此，我們有必要幫助學生建立正確的物理概念和圖像。關于位移電流和傳導電流的不同點，已有一些學者從不同的角度進行了討論。如，二者的相位[1]、激發磁場的方式[2-3]以及產生熱效應的方式[4]。但是在這些不同的點中，哪些是屬于本質的或者哪些是屬于物理本質層面的至今尚無討論。

1 “位移電流”假說的提出及其物理意義

我校的《大學物理》課程選用的教材[5]以及其它面向理工科學生開設的《大學物理》課程教材[6,7]中，有關位移電流的提出都是源于將穩恒電流的安培環路定理應用到非穩恒電流情形時所引起的矛盾，而麥克斯韋正是為了解決這個矛盾大膽地提出了位移電流的概念。具體如下。

穩恒電流的安培環路定理：

2 位移電流和傳導電流的聯系和區別

教材中位移電流的引入主要是解決安培環路定理與電流連續性方程之間的矛盾，所以學生在學習過程中往往容易忽視位移電流本身的物理本質。下面我們就日常教學過程中幾個突出的疑難問題做出解釋，針對學生的疑問嘗試對位移電流的講授進行適當的教學拓展，并通過對位移電流和傳導電流的比較分析，來促進學生理解物理概念和提高科研思維能力。

2.1 關于電流磁效應的問題[2-3]

由麥克斯韋方程組：

我們知道，不僅電荷激發電場，變化的磁場也能激發電場；傳導電流具有磁效應，位移電流也同樣具有磁效應。那是不是就能認為位移電流和傳導電流的本質相同，都是電荷在導體中的定向運動呢？這個問題是我們在教學過程中首先要跟學生強調的問題。盡管從激發磁場的形式上看，位移電流和傳導電流是一樣。但是我們更要注意，麥克斯韋給出的位移電流表達式是，意味著位移電流是由變化的電場帶來，或者更加確切地說位移電流的磁效應，歸根結底是變化電場的磁效應。相比傳導電流Ic依賴于電荷，存在于導體內部,位移電流Id則是由變化的電場帶來，只要空間中存在變化的電場，就有相應的位移電流，故此它可以存在于真空、介質和導體中。

因此，在電流激發磁場這個問題上，我們可以幫助學生比較位移電流和傳導電流的相同之處，即以相同的規律激發渦旋磁場；但兩種電流的“源”又不相同，位移電流來源于變化著的電場，而傳導電流則是自由電荷在導體中的定向運動。

2.2 關于電流熱效應的問題[4]

既然我們強調“位移電流”不是電流，其實質是變化的電場，那么就會有同學提出疑問：是不是位移電流就不會產生熱效應呢？這個問題也是我們在課堂教學過程中需要重點解釋的問題。由于自由電荷在導體中運動時會與導體結構發生碰撞，因此傳導電流會帶來熱效應，服從焦耳——楞次定律。而對于位移電流，電流密度表示為。在真空或是導體中，極化強度，電流僅由變化的電場產生，與電荷的定向運動無關，因此位移電流在導體中不產生熱效應。但是對于電介質中的位移電流,情況有所不同。電介質中的位移電流既有變化電場貢獻，又包含電介質極化強度變化的貢獻，而這種極化強度的變化是由極化電荷因電場的改變而反復運動所產生的。對于非極性分子組成的電介質，其介電常數不隨溫度改變，因此這種反復運動不需要消耗能量，當然也就不會產生焦耳熱；而極性分子的情況則不同，由極性分子組成的電介質的極化強度與溫度有關，伴隨極化強度的改變會有熱量的產生，尤其在高頻電磁場中，電介質中的位移電流會產生很大的熱量。如微波爐所利用的就是位移電流的熱效應，但這種熱效應不遵守焦耳定律，是一個較為復雜的過程。

通過上面的分析，我們不難解釋學生的疑問，位移電流的實質是變化的電場，無論是在導體、真空還是介質中，它都不會產生焦耳熱，但這并不代表它沒有熱效應，不能忽視位移電流在介質中還是有熱效應的，只不過這種熱不是焦耳熱。

2.3 位移電流的教學拓展

在《大學物理》，特別是《電磁場理論》課程教學中我們還發現有些例題或是課外讀物中會出現全電流、運流電流等名詞，對這些名詞的詮釋可以進一步幫助學生梳理物理概念，從而更好地認識電磁理論。

教材中的麥克斯韋方程組只考慮了兩種電流：傳導電流和位移電流。傳導電流指的是導體中的自由電荷在電場作用下的定向運動；實際上，這種自由電荷不僅僅存在于導體中，半導體中的導電電子和空穴以及電解液中的離子形成的電流都與自由電荷的運動有關。因此，更普遍地可將與自由電荷運動有關的電流密度稱為自由電流密度，表示為j其中代表的就是運流電流密度，故運流電流的定義是除了傳導電流之外的其他形式的自由電流。

一般情況下，空間中不僅存在電介質還存在磁介質，若整個空間又處于變化的電磁場中，則變化的電磁場會引起物質的極化強度和磁化強度隨時間改變，產生極化電流和磁化電流，其電流密度分別為這樣一來，全空間的電流密度即全電流密度可表示成。即全電流包含了傳導電流、運流電流、極化電流、磁化電流及電場強度的變化引起的電流。

3 結論

綜上所述，產生磁效應和熱效應的物理機制完全不同是位移電流和傳導電流的最本質區別。

[1]李淑芬.淺析位移電流與傳導電流的區別[J].赤峰學院學報：自然科學版,2005(5)：14-15.

[2]趙凱華.再論位移電流與傳導電流不以同樣規律(方式)激發磁場[J].大學物理,2008，20（8）：29-31.

[3]李元勛.真空中的“位移電流”和傳導電流以同樣規律激發磁場嗎？[J].大學物理,1995.14(4):14-17.

[4]馮杰.位移電流的熱效應探討[J].華南師范大學學報：自然科學版,1999(2):55-60.

[5]韓家驊，等.大學物理學[M].2版.合肥：安徽大學出版社，2009.

[6]東南大學等七所工科院校.物理學[M].5版.馬文蔚,改編.北京：高等教育出版社，2006.

[7]程守洙，江之洙，等.普通物理學[M].北京：高等教育出版社，2006.

G 642

A

1674-1102(2011)06-0127-02

2011-12

國家自然科學基金（10704001）;教育部科學技術研究重點項目（210092）。

盧艷(1981－),女，安徽黃山人，安徽大學物理與材料科學學院講師，碩士，研究方向為脈沖功率和等離子體；吳昌 (1980－),男，安徽合肥人，電子工程學院講師，主要從事物理教學。

[責任編輯：桂傳友]