没错,电场强度越来越大,那么通过这个曲面的电通量也就越来越大。因此,我们可以看到虽然没有电流通过这个曲面,但是通过这个曲面的电通量却发生了改变。这样,我们就可以非常合理地把“变化的电通量”这一项也添加到产生磁场的原因里。因为这项工作是麦克斯韦完成的,所以添加了这一项之后的新公式就是麦克斯韦方程组的第四个方程——安培-麦克斯韦定律:
把它和安培环路定理对比一下,你就会发现它只是在在右边加了变化的电通量这一项,其它的都原封未动。E·a是电通量,套个面积分符号就表示通过曲面S的电通量,再加个d/dt就表示通过曲面S电通量变化的快慢。因为在讲法拉第定律的时候我们详细讲了通过曲面磁通量变化的快慢,这里只是把磁场换成了电场,其他都没变。
ε0是真空中的介电常数,把这个常数和电通量变化的快慢乘起来就会得到一个跟电流的单位相同的量,它就被称为位移电流,如下图:
所以,我们经常能够听到别人说麦克斯韦提出了位移电流假说。其实,它的核心就是添加了“变化的电通量也能产生磁场”这一项,因为当时并没有实验能证明这一点,所以只能暂时称之为假说。在安培环路定理里添加了这一项之后,新生的安培-麦克斯韦定律就能跟其他的几条定律和谐相处了。而麦克斯韦之所以能够从他的方程组里预言电磁波的存在,这最后添加这项“变化的电通量产生磁场”至关重要。
因为你想想,预言电磁波的关键就是“变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场”,这样变化的磁场和电场就能相互感生传向远方,从而形成电磁波。而变化的电场能产生磁场,这不就是麦克斯韦添加的这一项的核心内容么?电场变了,电通量变了,于是就产生了磁场。电磁波的产生跟位移电流的假说密切相关。
15麦克斯韦方程组
至此,麦克斯韦方程组的四个方程:描述静电的高斯电场定律、描述静磁的高斯磁场定律、描述磁生电的法拉第定律和描述电生磁的安培-麦克斯韦定律的积分形式就都说完了。把它们都写下来就是这样:
高斯电场定律说穿过闭合曲面的电通量正比于这个曲面包含的电荷量。
高斯磁场定律说穿过闭合曲面的磁通量恒等于0。
法拉第定律说穿过曲面的磁通量的变化率等于感生电场的环流。
安培-麦克斯韦定律说穿过曲面的电通量的变化率和曲面包含的电流等于感生磁场的环流。
我们看到,在这里从始至终都占据着核心地位的概念就是通量。