全電流定律

全電流定律

麥克斯韋方程組基本方程之一
麥克斯韋将安培環路定理推廣為全電流定律,是電磁場的基本方程之一。在穩恒電流情況下,對于以閉合回路為邊界的所有曲面而言,安培環路定理總是成立的。
  • 中文名:全電流定律
  • 外文名:The current law
  • 别名:
  • 表達式:
  • 提出者:
  • 适用領域:
  • 提出人:麥克斯韋
  • 類型:将安培環路定理推廣的定律
  • 相關:電磁感應定律
  • 領域:電磁學

全電流

一般情形下,通過空間某截面的電流應包括傳導電流與位移電流,其和稱全電流(total current)

I(全)=I(傳)+I(位)=I(傳)+∫s(〥D/〥t)·dS

(D為電通密度,S為截面面積,〥表示偏微分符号,下同)

全電流是連續的,在空間構成閉合回路。導線中有傳導電流(一般,導體中也有很小的位移電流),而電容器中有位移電流,即傳導電流中斷處,有位移電流接上。

全電流定律

設空間有n根載流導體,導體中的電流分别為i1、i2……in則沿任意可包含所有這些導體的閉合路徑I,磁場強度h的線積分,等于這些導體電流的代數和。可表示為ΣHdl=ΣI

當閉合回線可分為幾段,閉合回線的分段原則是:磁場強度相同,截面積相同,材料相同;而每段内H為常量,并和線段方向一緻,沿閉合回線總磁壓為各段磁壓的代數和。這種情況下全電流定律又可表示為ΣHl=ΣI

若H與線段方向一緻時,(Hl)為正,反之為負;凡是與閉合回線方向符合右手螺旋定則的電流為正,反之為負。

讨論

1.全電流定律既适用于電流恒定情況,又适用于非恒定情況。

對恒定情況,有〥D/〥t=0,有∮LHdl=I(傳)

若所讨論的問題中,I(傳)=0,則磁場僅由位移電流産生(磁場寫作H(位))

即:∮LH(位)dl=I(位)

2.對比如下兩方程:

變化的電場産生磁場∮LH(位)dl=∫s(〥D/〥t)·dS

變化的磁場産生電場∮LE(感)dl=-∫s(〥B/〥t)·dS(B為磁通密度)

可見兩方程非常對稱。其不同點在于變化電場和産生的磁場之間為右手螺旋關系,變化磁場和感生電場之間為左手螺旋關系。

4.關于麥克斯韋提出位移電流的假說:

1.麥克斯韋提出假說:變化的磁場在其周圍空間會激發一種渦旋狀的非靜電場強,稱為渦旋電場。并以此為基礎總結出了電場的環路定理。

2.對于穩恒電流,磁場滿足安培環路定理∮H*dl=∑I。

這個定理表明,磁場強度沿任意閉合回路的線積分等于穿過以該閉合回路為邊界曲面的傳導電流的代數和。但是,以閉合回路為邊界的曲面不是唯一的,原則上有無窮多個。也就是說,在穩恒電流情況下,對于以閉合回路為邊界的所有曲面而言,安培環路定理總是成立的。但是,對于非穩恒電流,情況将不是這樣的。

比如取電容器兩極闆間為一閉合的曲面,但是由于其中沒有傳導電流,所以安培環路定理右邊為零;但是不在兩極闆間取的回路,明顯電流和不是為零的,導緻運用安培環路定理的時候出現了矛盾。

所以麥克斯韋大膽的提出假說:變化的電場能在其周圍激發磁場。

并将S*(dD/dt)定義為位移電流,那麼在上面講的例子當中,取在兩個極闆之間的回路,再應用安培環路定理就是成立的了,但是此時等式右邊的電流不是單獨的傳導電流,而是加上假說提出的位移電流。

正是如此,麥克斯韋進一步完善了他的電磁場理論,由此他毅然提出了全電流定理,以來完善安培環路定理的缺陷,就如上面的表述。

通過以上的研究,麥克斯韋完善了他的電磁場理論。

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