安培环路定理其实是在告诉我们:通电导线周围会产生旋转磁场,你可以在这个电流周围随便画一个圈,那么这个磁场的环流(沿着这个圈的线积分)就等于这个圈里包含的电流总量乘以真空磁导率。
那么,这样就完了么?静电、静磁分别由两个高斯定律描述,磁生电由法拉第定律描述,电生磁就由安培环路定理描述?
麦克斯韦认为“变化的电通量也能产生磁”,这里我们用一个很简单的例子告诉大家为什么必须要加入“变化的电通量也能产生磁”这一项。
我们在给电容器充电的时候,电路上是有电流的,但是电容器之间却没有电流。我们选择下面这个曲面
有电流穿过曲面,按照安培环路定理,它是肯定会产生一个环绕磁场的。但是,如果我选择下面的曲面,就没有电流通过这个曲面,按照安培环路定理就不会产生环绕磁场。而安培环路定理只限定曲面的边界,并不管你曲面的其它地方,于是我们就看到这两个相同边界的曲面会得到完全不同的结论,这就只能说明:安培环路定理错了,或者至少它并不完善。
我们再来想一想,电容器在充电的时候电路中是有电流的,所以它周围应该是会产生磁场的。但是,当我们选择下面那个大口袋形的曲面的时候,并没有电流穿过这个曲面。那么,到底这个磁场是怎么来的呢?
我们再来仔细分析一下电容器充电的过程:电池驱使着电荷不断地向电容器聚集,电容器中间虽然没有电流,但是它两边聚集的电荷却越来越多。电荷越来越多的话,在电容器两个夹板之间的电场强度是不是也会越来越大?电场强度越来越大的话,有没有嗅到什么熟悉的味道?
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: