真空电容率(2023最新真空电容率百科介绍)

由网友(Instinct(初衷))分享简介:实空电容率是MKSA有理制(国际单元制的电磁教部门)中引进的1个有质纲的常质,又称实空介电常质 ,表为ε零,正在国际单元制中,ε零=八.八五四一八七八一七×一零^(⑴二)F/m。汗青配景犹如后面所述,实空电容率是1个器量体系常数。它的呈现于电磁质的界说方程,首要是由于1个称为抱负化的步伐。只应用杂实践的拉导,麦克斯韦方...

真空电容率是MKSA有理制(国际单位制的电磁学部分)中引入的一个有量纲的常量 ,又称真空介电常量 ,表为ε0,在国际单位制中,ε0=8.854187817×10^(-12)F/m。

历史背景

真空介电常数的介绍

如同前面所述,真空电容率是一个度量系统常数。它的出现于电磁量的定义方程,主要是因为一个称为理想化的程序。只使用纯理论的推导,麦克斯韦方程组奇异地预测出,电磁波以光速传播于自由空间。继续推论这个预测,就可以给出的数值。若想了解为什么会有这数值,必须稍微阅读一下电磁度量系统的发展史。

在以下的讲述中,请注意到我们经典物理并不特别区分“真空”和“自由空间”这两个术语。当今文献里,“真空”可能指为很多种不同的实验状况和理论实体。在阅读文献时,只有上下文可以决定术语的含意。

单位理想化

查尔斯·库仑和其它物理学家的实验,证明库仑定律:分开距离为,电量都是的两个点电荷,其相互作用于对方的力,可以用方程表达为

其中,是个常数。

假若,对其它变量不加以任何约束,则可以任意地设定。对于每一个不同的数值设定,的诠释也相随地不同。为了要避免混淆不清,每一个不同的诠释必须有不同的名称和标记符号。

厘米-克-秒静电制是一个十九世纪后期建立的标准系统。在这标准系统里,常数的数值被设定为1,电荷量的量纲被称为高斯电荷量。这样,作用力的方程变为

其中,是高斯电荷量。

假设两个点电荷的电荷量都是一个单位高斯电荷量,分隔距离是1公分。则两个点电荷相互作用于对方的力是1 达因。那么,高斯电荷量的量纲也可以写为“达因1/2公分”。这与国际单位制的量纲,“牛顿1/2米”,有同样的量纲。但是,高斯电荷量与国际单位制电荷量的量纲并不相同。高斯电荷量不是用库仑来测量的。

后来,科学家觉得,对于球几何案例,应该加入因子于库仑定律,表达方程为

其中,、分别为新的常数和电荷量。

这个点子称为理想化。设定。电量单位也改变了,但是,电量的量纲仍旧是“达因1/2公分”。

下一个步骤是将电量表达为一个独自的基本物理量,标记为,将库仑定律写为它的现代形式:

很明显地,旧厘米-克-秒静电制里的电量与新的国际标准制电量的关系式为

ε0数值的设定

采用国际标准制,要求力量的单位为牛顿,距离的单位为米,电荷量的单位为工程师的实用单位,库仑,定义为1 安培的电流在1秒钟内所累积的电荷量。那么,真空电容率的量纲应该是“库仑2牛顿-1米-2”(或者,“法拉1米-1”)。

真空电容率的数值可以从麦克斯韦方程组求得。观察在真空中的麦克斯韦方程组的微分形式:

;

其中,是电场,是磁感应强度。

取第四个麦克斯韦方程的旋度,

将第二个麦克斯韦方程(法拉第方程)代入,则可得到

应用一个矢量恒等式,

再注意到第三个麦克斯韦方程(高斯磁定律),所以,

这样,就可以得到光波的磁场波动方程:

以同样的方式,也可得到光波的电场波动方程:

这光波传播的速度(光速)是

这方程表达出光速、真空电容率、真空磁导率,这三个物理量的相互关系。原则上,科学家可以选择以库仑,或是以安培为基本电磁单位。经过仔细的考量,国际单位组织决定以安培为基本电磁单位。因此,、的数值设定了的数值。若想知道如何决定的数值,请参阅条目真空磁导率。

可实现真空和自由空间

自由空间(free space)是一个理想的参考状态,可以趋近,但是在物理上是永远无法达到的状态。可实现真空有时候被称为部分真空(partial vacuum),意指需要超低气压,但超低气压并不是近似自由空间的唯一条件。

与经典物理内的真空不同,现今时代的物理真空意指的是真空态(vacuum state),或量子真空。这种真空绝对不是简单的空无一物的空间。因此,自由空间不再是物理真空的同义词。若想要知道更多细节,请参阅条目自由空间和真空态。

对于为了测量国际单位的数值,而在实验室制成的任何部分真空,一个很重要的问题是,部分真空是否可以被满意地视为自由空间的实现?还有,我们必须怎样修正实验的结果,才能使这些结果适用于基线?例如,为了弥补气压高于零而造成的误差,科学家可以做一些修正。

若想知道怎样才能制成优良的部分真空,请参阅条目超高真空(ultra high vacuum)和自由空间。

请注意,这些缺陷并不会影响真空电容率的意义或数值。是个定义值,是由国际标准组织,通过光速和真空磁导率的定义值而衍生的。

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