怎么验证位移电流

【专家解说】：赫兹实验证明位移电流存在 自从 1879 年柏林科学院悬奖以后，赫兹一直在思考采用什么样可行 的方法证明位移电流的存在。问题难就难在长期来就形成了的一种凝固 不变的思想，即认为电流只限于导体中电粒子的运动，充其量只能是自 由电荷在真空或空气中的流动。这种思想束缚的严重性从现在的一些学 生的言谈中仍可找到一斑，因为有些学生学过麦克斯韦方程组后虽然能 从理论上接受位移电流的观点，但他们却认为这仅仅是麦克斯韦理论的 一个数学模型而已。位移电流既然是一种电流，那么除了它产生的场所 与传导电流不同外，它应具有传导电流的一切特点，如能产生热效应、 电动力学效应和电流的磁效应等等。其中以磁效应作为检验位移电流存 在的标准最为可行。1879 年科学院奖悬文中业已指出这一点，这是由于 亥姆霍兹联想到美国物理学家罗兰（H．A．Rowland，1848～1901）的一个实验而得出的结论。这个实验就是罗兰在 1876 年做的十分著名的运动 电荷磁效应实验。他将一粒子电荷镶在一个绝缘圆盘的边上，让盘快速 旋转，结果使附近的一根磁针扰动了。亥姆霍兹由此得到了启发：从相 对运动的观点来看，运动的电荷就好像介质中的位移电流，既然运动电 荷能产生磁效应，位移电流也应当能够产生磁效应。方向既已指明，剩 下的问题就是寻找具体的方法来观察位移电流的磁效应了。路子虽然很 多，未必条条可行。例如，我们可以设想用一迅变电场或磁场使一块介 质交变极化，同时观察这块介质是否产生出作用于磁针的力。这种方法 诚然经济，但过于直接而难以实现，因为磁针在迅变位移电流作用下是 无动于衷的，正如一种极速的交流电不能使磁针运动那样。赫兹自然不 会采取这种方法。 1885 年，赫兹到卡尔斯鲁高等工业学校担任实验物理学教授，有幸 发现该校实验室里有种名为黎斯（Riess）线管的振荡线圈。这种线圈具 有初级和次级，若给初级绕组输入一脉动电流，在次级线圈两端的狭缝 中间便会产生电火花。赫兹断定这是初级线圈中电流振荡感应的结果。 他又发现，如果调整初级与次级的相对位置，火花会有明显的变化，而 且当次级线圈在某些位置上时，根本不会产生电火花。敏捷的赫兹立即 想到，既然初级线圈中的振荡电流能激起次级线圈的电火花，那么它应 当具有使介质产生位移电流的能力，根据麦克斯韦的理论，这种位移电 流也应是迅变或振荡的，它反过来又影响次级线圈，使它产生的电火花 发生明显的强弱变化。赫兹抓住了这个思路，认为解决柏林科学院的问 题的时机到了。他说“在变化的条件下我偶然发现了次级火花现象，?? 起初，我以为电扰动可能是紊乱的和无规律的，但是当我发现次级导体 中存在一个中性点时，??我就信心百倍地相信柏林科学院的问题能够 解决了”。 1886 年赫兹设计了一种直线型开放振荡器来代替黎斯线圈中的初级线圈。做法是：将一根短而直的导线截为两段，截口处形成火花隙， 两个外端各焊上一个金属球或一块金属板，以增加振子的电容。虽然这 种振子的频率需要用现代的理论来计算，特别在赫兹的时代还没有分布 电容和分布电感的概念，但是赫兹还是根据开耳芬的振荡周期公式对振 子的频率作了粗略的估计。赫兹计算后发现，该振荡器的频率极高，足 以使次级线圈产生电火花并使附近的介质极化。1886 年 12 月他给亥姆 霍兹的一封信上说道：“我已成功地、毫无差错地显示一个直线电流的 感应作用。我冒昧地希望用这种方法将会解决与这个现象有关的一两个 问题”。 1887 年，赫兹在直线型振荡器的基础上设计了一台“感应平衡器”（induction=balance），它由一个直线型开口振子和一个圆圈形带火花 隙的感应检验器组成。实验时给振子输入脉动电流，使之起振，同时调 整检验器的位置，直至它的火花隙不产生火花时为止（这个位置即为赫 兹所说的“中性点”位置）。如果这时将一块金属挪近“感应平衡器”， 由于金属中感应出变化的电流（即涡流电流），从而产生一个附加电磁 场作用于感应器，使它重新发射出电火花。这种感生电流又发射出一种 附加电磁波，致使感应器的“平衡”状态被破坏，因而产生出电火花。 同时，“感应平衡器”中的直线振荡器的振荡不仅能使金属产生迅变的感生电流，也应当能使附近的介质块产生极速的交替极化，从而导致迅 变的位移电流。如果麦克斯韦的理论预言正确的话，这种位移电流非但 能够产生，而且必定要反过来影响“感应平衡器”的平衡状态。赫兹先 后将制成厚板的沥青、人造沥青、纸、干木、砂石、硫磺、石蜡、以及 用橡皮槽盛好的 45 公升汽油挪近“感应平衡器”，预料中的现象果然发 生了。 赫兹就是这样证明了麦克斯韦关于位移电流的预言，获得了柏林科 学院 1879 年悬奖。赫兹这次实验构成了他的电磁波实验的第一步。他的 这项实验成果载于他所写的《论绝缘体中电扰动产生的电磁效应》。 （摘自《科学发现集》）