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Vacuum permittivity

来自认证百科

Vacuum permittivity

Vacuum permittivity,就是真空电容率,又称为真空介电系数,或电常数,是一个常见于电磁学的物理常数,符号为ε0。在国际单位制里,真空电容率的数值为:

ε0=8.854 187 817…… × 10-12法拉/米。

真空电容率ε0可以用公式定义为:

Ε0.png

其中,c0是光波传播于真空的光速,μ0真空磁导率。

采用国际单位制,c0的数值定义为299 792458 米/秒,μ0的数值定义为4π x 10-7亨利/米。因此,ε0的数值也是个定义值。但是,由于π是无理数;所以,ε0只能近似为:

ε0=8.854 187 817…… × 10-12 安培24千克-1-3(法拉/米)

这些数值都可以在2006 CODATA报告里找到。

真空电容率出现于电势移D的定义式:

电势移D.png

其中,E是电场,P是电介质的经典电极化强度。

学术界常遇到一个错误的观点,就是认为真空电容率ε0是一个可实现真空的一个物理性质。正确的观点应该为,ε0是一个度量系统常数,是由国际公约发表和定义而产生的结果。ε0的定义值是由光波在参考系统的光速或基准(benchmark)光速的衍生而得到的数值。这参考系统称为自由空间,被用为在其它各种介质的测量结果的比较基线。可实现真空,像外太空、超高真空(ultra high vacuum)、量子色动真空(QCD vacuum)、量子真空(quantum vacuum)等等,它们的物理性质都只是实验和理论问题,应与ε0分题而论。ε0的含义和数值是一个度量衡学(metrology)问题,而不是关于可实现真空的问题。为了避免产生混淆,许多标准组织现在都倾向于采用电常数为ε0的名称。

历史背景

如同前面所述,真空电容率ε0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ε0的数值。若想了解为什么ε0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。

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ε0的意义或数值。ε0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。