変位電流

変位電流とは

変位電流（へんいでんりゅう、英: displacement current）は、電束電流とも称され、電束密度の法線成分の変化が時間的に発生するものであり、電流の一種として理解されています。この概念は、単なる電荷の移動によって生じる従来の電流とは異なり、特に静電場や変化する電場の下で重要な役割を果たします。変位電流の単位は、普通の電流と同様にアンペアで計測されます。

通常の電流は、電荷の移動によって発生しますが、変位電流は電荷の移動が直接的な要因ではないため、「変位」という名称がついています。変位電流は主に、コンデンサが充電または放電する際に発生します。つまり、コンドルスタンスが変化する際に電場が変動する結果として生じる現象です。

歴史的背景

変位電流の概念は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって初めて導入されました。彼は、電磁気に関する第三論文で「電磁場の動力学的理論」を発表し、その後、著書『電気磁気論』にこの理論を記載しました。この変位電流の概念の導入により、マクスウェルの方程式は完成し、そこから電磁波の存在や光の速度が理論的に導かれました。このことにより、電磁場の挙動をより深く理解するための基盤が形成されました。

変位電流と磁場の関係

変位電流は、アンペール-マクスウェルの式においても重要な役割を果たします。アンペール-マクスウェルの式は、次のように表すことができます。

$$
\oint_{C} \mathbf{H} \cdot d\mathbf{l} = \int_{S} \left( \mathbf{j} + \frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t} \right) \cdot d\mathbf{S}
$$

この式は、電流と変位電流との関係を示し、変位電流が磁場にどのような影響を与えるかを表しています。しかし、現代の物理学者の中には、変位電流が磁場の「源」であるのかどうかについて意見が分かれています。ある研究者は、変位電流が磁場の原因とならないと主張し、それに対する指摘として、使用されるモデルが不適切であるとの意見も存在します。

また、磁場を伝導電流に由来するものと変位電流に由来するものに分けることが困難であるという指摘もあります。こうした議論の中で、例えば兵頭は「クーロン電場の時間微分は磁場の源にならない」と述べています。これは、議論の混乱を助長する「磁場を作る」という表現が問題であるとも指摘されています。

まとめ

変位電流の概念は、電磁気学における重要な発展をもたらしました。マクスウェルの理論の核心となる部分であり、現代においてもその理解は深められています。関連項目として、強誘電体メモリや変位電流に関連した別名であるレントゲン電流などがあります。変位電流を理解することは、電磁場の性質を理解する上で避けて通れないテーマとなっているのです。

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