馬克斯威爾 位移電流

馬克斯威爾提出位移電流

隔了5年以後，馬克斯威爾又回過來研究電磁理論，寫了第二篇論文，題為《論物理力線》。內分四個部份，分別載於1861年和1862年的《哲學雜誌》上。他的「目的是研究介質中的應力和運動的某些狀態的力學效果，並將它們與觀察到的電磁現象加以比較，從而位了解力線的實質作準備。」

兩件事使馬克斯威爾重新考慮它的研究方法：

一件是根據伯努力的流體力學，流線越密的地方壓力越小，流速越快，而根據法拉第的力線思想，力線有縱向收縮、橫向擴張的趨勢，力線越密，應力越大，兩者不宜類比。

另一件是電的運動和磁的運動也無法簡單類比。從電解質現象中知道電的運動是平移運動，而從偏振光在透明晶體中旋轉的現象看，磁的運動好像是介質中的分子旋轉運動。

可見，電磁現象與流體力學現象有很大的差別，電現象與磁現象不盡相同，靠幾何上的類比無法洞察事物的本質。

於是馬克斯威爾轉向運用模型來建立假說。他借用蘭金(W.J.M. Rankine)的「分子渦流」假設，提出自己的模型。他假設在磁場作用下的介質中，有規則地排列著許多分子渦流，繞磁力線旋轉，旋轉角速度與磁場強度成正比，漩渦物質的密度正比於介質的磁導率。

這個模型很容易解釋電荷間或磁場間的相互作用，並清晰地體現了近距作用。

但是在進一步解釋變化電場或變化磁場之間的關係時又遇到了困難。分子渦流在旋轉中相鄰的邊界沿相反的運動方向運動，這怎麼可能？馬克斯威爾從一種惰輪機構中想出了解決方案。

他假設在渦旋之間有一層細微粒子，將各渦旋隔開，粒子非常小，可在原地滾動，電流就相當於粒子的移動。

圖中六角形代表分子渦流，小圓圈代表粒子。當電流流過AB時，AB上面依排渦旋gh按逆時針方向旋轉，通過中間的齒合作用，逐一地傳到各層渦旋，使它們都按逆時針方向旋轉。AB下面的渦旋則按順時針方向旋轉。

當AB中電流發生變化，例如突然停止時，gh中的渦旋旋轉受到障礙，如果這時k1排的渦旋仍然維持原來的運轉速度，則pq中的粒子層就會從p向q運動，也就是在pq中產生同向感應電流。這樣就很好地解釋電磁感應。

就在討論「應用於靜電的分子渦旋理論」這個問題時，馬克斯威爾抓住了要害。他假設分子渦旋具有彈性。當分子渦旋之間的粒子受電力作用產生位移時，給渦旋以切向力，使渦旋發生形變，反過來渦旋又給粒子以彈性力。當激發粒子的力撤去後，渦旋恢復原來的形狀，粒子也返回原位。這樣，帶電體之間的粒就歸結為彈性形變在介質中儲存的位能，而磁力歸結為儲存的轉動能。位移的變化形成了電流。馬克斯威爾稱之為「位移電流」，他寫道：

只要導體上有電動勢作用，就會產生電流，電流遇到電阻，就會將電能轉換化為熱。這一過程的逆向卻不可能將熱重新儲存為電能。

電動勢作用於電介質，會使電介質的一部分產生一種磁化狀態，有如鐵的顆粒在磁體的影響下極化一樣分布，並且和磁極化一樣，可以看成是每個粒子以對立狀態產生（電）極。

在一個受到感應的電介質中，我們可以向每個分子中的電都發生同樣的位移，一端為正電，另一端為負電，而這些電仍然完全同分子聯繫在一起，不會從一個分子轉移到另一個分子。

這種作用對於整個電介質是顏某一方面產生了總的位移。這一位移並不形成電流，因為它達到一定值時就保持不變了。但當電流開始時，和當位移時增時減因而形成不斷變化時，就會根據位移的增加或檢少，形成沿正方向或負方向的電流。

以 r 表示由於位移產生的電流值，h表示位移值，馬克斯威爾得出：

馬克斯威爾提出的「位移電流」的假設在電磁場理論中具有非常重要的地位。這是一個重大的突破，然而如果沒有足夠的膽略，是難以作出決斷的，因為在這以前，甚至在馬克斯威爾去世時(1879年)還沒有人做出過可靠的實驗，證明位移電流的存在。

預測光是電磁波

資料來源：郭奕玲、沈慧君著：物理通史，凡異出版社，ISBN 957-694-157-3。