位移電流(displacement current)
安培最初的定律說:磁場環繞著電流打轉。但馬克士威察覺它悄悄地被破壞了——每當電流不連續時它就失效,例如在一個充電中電容器的縫隙處。他的修補,即位移電流,是物理史上最具影響力的修正之一:它補全了方程,並讓光得以存在。
位移電流根本不是運動電荷構成的電流,而是馬克士威加到安培定律右側的那一項 J_d = epsilon_0 dE/dt,把它變成安培-馬克士威定律 curl B = mu_0 J + mu_0 epsilon_0 dE/dt。用文字說:變化的電場產生磁場,就跟真實電流一模一樣。在一個充電中的電容器裡,沒有傳導電流穿過縫隙,然而兩極板之間的電場正在上升;穿過縫隙的位移電流 epsilon_0 dE/dt 恰好等於導線中的傳導電流,於是無論你用哪一個曲面去封住迴路,磁環流都保持連續。
它為什麼非有不可:對未經修正的 curl B = mu_0 J 取散度,會得到 div J = 0,而每當電荷堆積時這就與電荷守恆矛盾。加上 epsilon_0 dE/dt 恰好修好了這件事——散度現在重現了連續方程。而且由於變化的 E 產生 B、變化的 B 產生 E,兩者便能彼此維持並傳播出去:位移電流正是讓電磁波成為可能的那一項。
當電容器充電時,導線裡有電流 I 流動,但到了極板就停下。用一個被導線刺穿的平面去封住安培迴路,你圈住的是 I;改用一個穿過縫隙、鼓起的曲面去封,你就沒圈住任何導線——然而穿過縫隙的位移電流 epsilon_0 dE/dt 恰好等於同一個 I,於是無論用哪一種封法,curl B 都給出相同的答案。
J_d = epsilon_0 dE/dt:變化的電場扮演一股電流,讓安培定律保持自洽,也讓電磁波成為可能。
位移電流不攜帶電荷、也不耗散熱量——這個名稱是歷史遺留,源自馬克士威對以太的機械模型。它並非可有可無:少了它,安培定律就違反電荷守恆,電磁波也無法存在。