2.10.4.2 Струм зміщення

Спостерігаючи перезарядження двох куль, з'єднаних провідником, Максвелл виразно побачив, що даний випадок істотно відрізняється від тих явищ, з якими мав справу Ампер у своїй лабораторії. Ампер вимірював силу, з якою діє один провідник на інший, коли по них протікають постійні струми. У розглянутому прикладі струм не буде постійним. Заряд буде перетікати від однієї кулі до іншої, а потім назад, і його рух нагадуватиме рух маятника, який здійснює коливальні рухи. Максвелл зрозумів, що закон Ампера справджується для замкнутих струмів, і порушив питання про те, що відбуватиметься, якщо струм буде незамкнутим. Описуючи так званий "електротонічний стан" Фарадея, Максвелл використовує рівняння нерозривності для замкнутих струмів і пише: "Тому наше дослідження обмежується поки що замкнутими струмами, і ми мало знаємо про дію незамкнутих струмів, що мають здатність до намагнічування".

У наш час ми могли б упевнено стверджувати, з'ясувавши протиріччя у вихідних постулатах теорії, що закон Ампера справджується тільки стосовно постійних і замкнутих струмів. Максвелл припустив, що в закон Ампера потрібно додати ще один член, що відіграє істотну роль, лише коли струми змінюються дуже швидко. Цей член, який Максвелл назвав струмом зміщення і який зникає за тих умов, при яких Ампер проводив свої вимірювання, усуває протиріччя між законом Ампера й законом збереження заряду, надаючи рівнянню електрики й магнетизму симетричного вигляду, тому що цей член описує виникнення магнітного поля під дією змінного електричного поля.

Максвеллівська модифікація закону Ампера привела до того, що рівняння електромагнетизму стали несуперечливими й симетричними: із закону Фарадея випливає, що змінне магнітне поле породжує електричне поле, а тепер, після введення Максвеллом струму зміщення, можна стверджувати, що і змінне електричне поле збуджує магнітне поле.

З різних чисто технічних причин ефекти струму зміщення дуже важко спостерігати, поки швидкість зміни полів не стає дуже великою; знадобилося 20 років, перш ніж Герцу, уже після смерті Максвелла, вдалося одержати перше експериментальне підтвердження теорії Максвелла.

Роботи Максвелла дали можливість сформулювати рівняння для електричних і магнітних полів у вигляді, еквівалентному таким шести твердженням:

1. Електричне поле, що відповідає якому-небудь розподілу зарядів, визначається за законом Кулона.

2. Магнітні заряди не існують.

3. Закон Фарадея: змінне магнітне поле збуджує електричне поле.

4. Закон Ампера: струми й змінні електричні поля збуджують магнітне поле.

5. Заряд зберігається.

6. Електричне й магнітне поля діють на заряди із силою, яка визначається за формулою Лоренца.