關(guān)于運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場的分析

摘 要：本文論述了運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場的原因，即傳導(dǎo)電流和位移電流。同時(shí)本文末還簡單提及了高中生在這方面容易忽略的問題。

關(guān)鍵詞：傳導(dǎo)電流；位移電流

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2007)6(S)-0041-2

變化的電場能夠在周圍的空間產(chǎn)生磁場是麥克斯韋電磁場理論的第一個(gè)要點(diǎn)，也是麥克斯韋對(duì)電磁場理論最主要的貢獻(xiàn)。不少教科書和教師在講解這一論點(diǎn)時(shí)引用“運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場”來加以說明。他們認(rèn)為：“一個(gè)靜止的電荷，它產(chǎn)生的是靜電場，即空間各點(diǎn)的電場強(qiáng)度不隨時(shí)間而改變。這個(gè)電荷一旦運(yùn)動(dòng)起來，電場就發(fā)生變化。另一方面運(yùn)動(dòng)電荷要產(chǎn)生磁場，用場的觀點(diǎn)來分析這個(gè)問題，認(rèn)為：這個(gè)磁場是由變化的電場產(chǎn)生的。”其實(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場可以從兩個(gè)方面來理解。

第一、“運(yùn)動(dòng)電荷要產(chǎn)生磁場”理解為電荷運(yùn)動(dòng)形成電流(傳導(dǎo)電流），這個(gè)電流要產(chǎn)生磁場。但是按照這種理解，這個(gè)電場是由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的，而不是由“位移電流”產(chǎn)生的，即不是由變化的電場產(chǎn)生的，這樣他們可能得出錯(cuò)誤論斷。

第二、從另一個(gè)方面來理解“運(yùn)動(dòng)電荷要產(chǎn)生磁場”這句話。電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起觀測點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)電荷之間的距離發(fā)生變化。由點(diǎn)電荷的場強(qiáng)公式可得，觀測點(diǎn)的場強(qiáng)E變化，則在觀測點(diǎn)周圍空間會(huì)產(chǎn)生磁場，并且由電動(dòng)力學(xué)有關(guān)知識(shí)，這個(gè)磁場等于電場E的變化率。由于電荷的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，這個(gè)電荷產(chǎn)生的電場和磁場是非常復(fù)雜的，要用電動(dòng)力學(xué)的方法才能處理，一般中學(xué)生不可能理解到這一層次，而且這時(shí)在運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的磁場中，既有由變化的電場產(chǎn)生的，也有由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的，到底哪一部分主要，要視電荷的運(yùn)動(dòng)情況及觀測點(diǎn)的位置而定。在電荷附近(近場區(qū))磁場主要靠傳導(dǎo)電流產(chǎn)生。所以不能簡單地認(rèn)為“這個(gè)磁場是由變化的電場產(chǎn)生的”。

綜上分析，用一個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場為例來說明電磁場理論的第二個(gè)要點(diǎn)是欠妥的，其結(jié)論“這個(gè)磁場是由變化的電場產(chǎn)生的”是不對(duì)的。值得指出的是，麥克斯韋電磁場理論的第二個(gè)要點(diǎn)包含著深刻而新穎的思想，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)難以為物理學(xué)家們所接受，直到25年之后，赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，從而證明麥克斯韋電磁場理論的正確性，這個(gè)理論才得到人們的普遍承認(rèn)?？梢?，“變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場”這一假說并非能用一個(gè)例子來加以形象說明。

在高中階段講麥克斯韋電磁場理論的第二個(gè)要點(diǎn)時(shí)，可以簡要地給出麥克斯韋的假說，而不要企圖找什么形象的例子來說明。倒是有必要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：電流和變化的電場是產(chǎn)生磁場的兩種途徑。

我們在教學(xué)過程中，曾遇到過學(xué)生問“當(dāng)穩(wěn)恒電流通過直導(dǎo)線時(shí)，周圍空間的電場是穩(wěn)定的，即電場不隨時(shí)間變化，但周圍空間卻產(chǎn)生了磁場。這不是與老師講的‘變化的電場產(chǎn)生磁場’相矛盾嗎？”確實(shí)，當(dāng)穩(wěn)恒電流通過長直導(dǎo)線時(shí)，在電流附近的觀測點(diǎn)的電場E達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，它不隨時(shí)間而變化，但是也在直導(dǎo)線附近產(chǎn)生了磁場。很明顯，這個(gè)磁場是由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的。這說明學(xué)生誤以為要產(chǎn)生磁場，或者說，學(xué)生學(xué)習(xí)了變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場的同時(shí)，卻忘記了電流是產(chǎn)生磁場的基本途徑。

參考文獻(xiàn)：

［1］郭碩鴻.《電動(dòng)力學(xué)》

［2］人民教育出版社.高二年級(jí)《物理》（必修加送修）

（欄目編輯羅琬華）