關于運動電荷產生磁場的分析
2007-12-31 00:00:00江波
物理教學探討 2007年11期
摘 要：本文論述了運動電荷產生磁場的原因，即傳導電流和位移電流。同時本文末還簡單提及了高中生在這方面容易忽略的問題。
關鍵詞：傳導電流；位移電流
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2007)6(S)-0041-2
變化的電場能夠在周圍的空間產生磁場是麥克斯韋電磁場理論的第一個要點，也是麥克斯韋對電磁場理論最主要的貢獻。不少教科書和教師在講解這一論點時引用“運動電荷產生磁場”來加以說明。他們認為：“一個靜止的電荷，它產生的是靜電場，即空間各點的電場強度不隨時間而改變。這個電荷一旦運動起來，電場就發(fā)生變化。另一方面運動電荷要產生磁場，用場的觀點來分析這個問題，認為：這個磁場是由變化的電場產生的?！逼鋵崳\動電荷產生磁場可以從兩個方面來理解。
第一、“運動電荷要產生磁場”理解為電荷運動形成電流(傳導電流），這個電流要產生磁場。但是按照這種理解，這個電場是由傳導電流產生的，而不是由“位移電流”產生的，即不是由變化的電場產生的，這樣他們可能得出錯誤論斷。
第二、從另一個方面來理解“運動電荷要產生磁場”這句話。電荷運動時，會引起觀測點與運動電荷之間的距離發(fā)生變化。由點電荷的場強公式可得，觀測點的場強E變化，則在觀測點周圍空間會產生磁場，并且由電動力學有關知識，這個磁場等于電場E的變化率。由于電荷的運動是復雜的，這個電荷產生的電場和磁場是非常復雜的，要用電動力學的方法才能處理，一般中學生不可能理解到這一層次，而且這時在運動電荷產生的磁場中，既有由變化的電場產生的，也有由傳導電流產生的，到底哪一部分主要，要視電荷的運動情況及觀測點的位置而定。在電荷附近(近場區(qū))磁場主要靠傳導電流產生。所以不能簡單地認為“這個磁場是由變化的電場產生的”。
綜上分析，用一個運動電荷產生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點是欠妥的，其結論“這個磁場是由變化的電場產生的”是不對的。值得指出的是，麥克斯韋電磁場理論的第二個要點包含著深刻而新穎的思想，在相當長的一段時間內難以為物理學家們所接受，直到25年之后，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，從而證明麥克斯韋電磁場理論的正確性，這個理論才得到人們的普遍承認。可見，“變化的電場能夠在周圍空間產生磁場”這一假說并非能用一個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要點時，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。倒是有必要向學生強調：電流和變化的電場是產生磁場的兩種途徑。
我們在教學過程中，曾遇到過學生問“當穩(wěn)恒電流通過直導線時，周圍空間的電場是穩(wěn)定的，即電場不隨時間變化，但周圍空間卻產生了磁場。這不是與老師講的‘變化的電場產生磁場’相矛盾嗎？”確實，當穩(wěn)恒電流通過長直導線時，在電流附近的觀測點的電場E達到一個動態(tài)的平衡，它不隨時間而變化，但是也在直導線附近產生了磁場。很明顯，這個磁場是由傳導電流產生的。這說明學生誤以為要產生磁場，或者說，學生學習了變化的電場能夠在周圍空間產生磁場的同時，卻忘記了電流是產生磁場的基本途徑。
參考文獻：
［1］郭碩鴻.《電動力學》
［2］人民教育出版社.高二年級《物理》（必修加送修）
（欄目編輯羅琬華）
