论真空介电常数的本质

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)四川省南充市高坪区畜牧局 作者:田江南

  本文通过真空背景温度,定义了真空背景周期。并从理论上指出,真空介电常数等于真空背景周期的二分之一。同时,真空电阻率应为1。

一、定义真空背景周期

  我们知道,真空环境下的温度为T=2.725开。其乘上玻尔兹曼常数K即可表示真空中微粒的平均能量。由于KT表势能,hυ也表势能。其中,h为普朗克常数,υ表频率。

  又由于频率υ为周期t的倒数,故有

  hυ=KT⇒h/t=KT⇒t=h/KT

  把h=6.626×10-34,K=1.3807×10-23,T=2.725代进去,得:t=h/KT=1.762×10-11(秒)。

  真空技术网(www.chvacuum.com)暂把这个周期称为真空背景周期。它表示在真空背景温度下微粒的平均运动周期。

二、真空介电常数的本质

  物理上,真空介电常数是一个重要常数,用 ε0表示。

  我们假设一正一负两电荷(电量为e)在相距距离为r的地方“静止”。其势能为:

真空介电常数的本质-真空技术网(http://www.chvacuum.com/)

  应指出,两电荷“静止”不代表其绝对静止,它们也在真空背景温度下悄悄运动。这个运动可看成简谐运动(也可用圆周运动来描述),周期为t。因此,某个电荷要产生电流I,且I=e/t。

  由于电荷运动其电场也跟着变化(指空间静止某点的电场强度变化),又位移电流的本质是变化电场,所以这种变化的电场就会在两电荷之间传递,形成电流。此处的位移电流周期也为t,大小也为I=e/t。因为位移电流的表述式可写为:

真空介电常数的本质-真空技术网(http://www.chvacuum.com/)

  这里,E为电场强度,S为截面积,∫S为面积分。

  式子右边的积分可等电量Q,因此此式仍满足I=dQ/dt的关系。而这里I=e/t是从I=dQ/dt定义式推出,因此,I=e/t,可表示这里的位移电流在空间分布的大小。

  我们再根据相对性原理得出,任何物理规律都有相同的数学表达式,因此,某电流所受的电压(或电势)e/ε04πr 也应满足欧姆定律U=IR,U为电压,R为电阻。

  又:R=ρl/s

  其中,ρ为电阻率,l为电流长度,s为截面积。对两点电荷来说,l=r,s=2πr2,因为位移电流的长度即为两电荷间距离。应注意的是,截面似乎应是球面积4πr2,但其实不是。我们可作这样分析:假设左边电荷带正电,右边电荷带负电,又假设右边负电荷不存在时,左边正电荷的电场线是以球面积发散,我们把这个球面分为左、右两个半球面。当右边有了负电荷时,正电荷的电场线应该几乎全部向右边半球指向(因为正电荷指向左边的电场线,这时也会受负电荷影响,也会迂回向右指向),又由于位移电流是变化电场,那么变化电场这种电流就几乎全集中在右边半球,而左边半球几乎无电流,那么左边半球面对电阻就应无贡献。因此,正电荷的电阻就应取右边半球,其截面为半个球面,即2πr2(当然,也可用其它方法分析,结论一样)。

  我们又知道,根据量子力学观点,导体的电阻是由其内部的杂质而引起,而对于真空来说,其中没杂质,因此,真空的电阻只有几何因素,没有物质结构因素(电阻率),或者说真空没有电阻率这个概念,真空的电阻率可看作1,没有转化系数。对于两点电荷来说,其位移电流的电阻为:

真空介电常数的本质-真空技术网(http://www.chvacuum.com/)

  这和实验值 ε0=8.85×10-12相比较,基本相符。说明了推导的可行性。

  真空介电常数本质上应是时间的量纲。

小结

  前面所述,可能真空电阻率取1这一点,较难理解,我们这里也可这样说明:真空电阻率肯定是一个确定的数。我们若把真空电阻率取除1以外的任意数时,我们都不能用理论或逻辑推导计算出它,因为电阻率与物质结构有关,而真空没有物质结构,它的存在没有道理。所以,真空的电阻率只能取1。

  另外,本文计算真空介电常数时,理论值和实验值有大约有1/200的误差,这时由于:如正电荷的电场线在负电荷存在时还是有少量的向左边半球指向,考虑上这个因素,前面的计算值只能比实验值稍小。但文中所述道理却是成立的。所以,误差也可修正。读者可判断这方面。关于说明真空介电常数的本质,作者是有把握的,这些有很多应用,如分析霍耳电阻。读者可进行思考。具体内容本文就不叙述了。

  论真空介电常数的本质为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/vacuum-permittivity/043020.html

  与 真空介电常数 真空背景温度 位移电流 真空介电常数 相关的文章请阅读:

  真空介电常数http://www.chvacuum.com/vacuum-permittivity/