Електрична константа

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Електрична проникність вакууму (electric permittivity of vacuum або Vacuum permittivity), або електрична стала (electric constant)) у системі СІ — фундаментальна фізична константа, яка об'єднує механічні (такі, як «час», «довжина», «маса») та електромагнітні величини (такі, як електричний заряд, наприклад, в законі Кулона).[1][2]. Позначається символом \varepsilon_0 . Також називається електричною проникністю вільного простору (permittivity of free space) або пустого простору (empty space). В системі СІ швидкість світла у вакумі c слід позначати іншим символом [3] наступною формулою: c0 \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} 299 792 458 m s-1 (NIST визначення метра: дивись останнє твердження) а також магнітну константу \mu_0, яка визначена як 4 \pi \cdot 10^{-7} Гн · м-1 (NIST визначення ампера:дивись останнє твердження), що приводить до електричної константи визначеної у вільному просторі наступною формулою:

{|

| \varepsilon_0 ||\overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=}\frac {1}{\mu_0 {c_0}^2} |- | ||\approx 8.854\ 187\ 817\ldots \times 10^{-12} || А2с4 кг-1м?3|| в системі СІ; |- | || || або К2Н−1м−2 || або Ф м−1 використовуючи похідні фізичні одиниці. |- | || \approx 5.526\ 35\ \ldots \times 10^{7} || е1В-1м-1 ||конвертуючи до елементарного електричного заряду. |} (Ця величина взята з NIST \varepsilon_0. Підсумок для цих визначень представлений в Звіті 2006 CODATA.[4]) Три крапки «…» зовсім не означає експериментальну невизначеність, а лише довільне переривання іраціонального числа.

Ця величина також називається багатьма іншими іменами, включаючи електрична проникність вільного простору (permittivity of free space),[5] або пустого простору,[6] або виразом вакуумна діелектрична константа (dielectric constant of vacuum)[7] (хоч цей вираз і є дещо неоднозначний для сучасного використання, як це буде полказано нижче).

Зміст

Використання в інших системах вимірювання [ред.]

В інших системах електромагнітних величин цей параметр рівний \varepsilon_0 = 1. Це справедливо для Система одиниць Гауса, Система одиниць Лоренца-Хевісайда, а також дехто використовує в Природна система одиниць (тоді як інші вибирають значення \varepsilon_0 = 1/4\pi,  наприклад, в електростатичній СГС система одиниць).

Константа Кулонівської сили (Coulomb force constant) або електростатична константа (electrostatic constant) ke може бути виражена як (дивись Закон Кулона):

k_e\overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=}\frac{1}{ 4 \pi \varepsilon_0} = \frac {\mu_0 {c_0}^2}{4 \pi} = 8.987\ 551\ 787\ldots \times 10^9 \approx 9\cdot 10^9 К−2Н1·m2
\approx 1.439\ 96\ \ldots \times 10^{-9} e-1В1м1.

Термінологія [ред.]

Так склалося історично, що константа \varepsilon_0 була знана під багатьма різними іменами. Вираз «електрична проникність вакууму» («vacuum permittivity»), або його варіанти, такий як «електрична проникність у вакуумі/ вакууму» («permittivity in/of vacuum»),[8][9] «електрична проникність пустого простору» («permittivity of empty space»),[6] або «електрична проникність вільного простору» («permittivity of free space»[5][10] є широко розповсюджені. Організації по стандартизації фізичних величин по всьому світу сьогодні використовують термін «електрична константа» («electric constant»), як загальновизнаний вираз для позначення цієї величини,[1] і офіційна документація в більшості організацій визнала цей термін (хоч вони продовжують використання старих термінів як синонімів).[11][12]

Іншим історичним синонімом був «діелектрична константа вакууму» («dielectric constant of vacuum»), або скорочено «діелектрична константа» («dielectric constant») часто використовувалась в минулому для абсолютної проникності.[7][13] Проте в сучасному використанні "діелектрична константа" типово відноситься до величини відносна електрична проникність \varepsilon / \varepsilon_0 але навіть це вживання уже "вийшло з використання" деякими організаціями по стандартизації у порівнянні з відносна електростатична проникність.[12][14] Звідси також випливає те, що термін "діелектрична вакуумна константа"("dielectric constant of vacuum") для електричної константи for the electric constant \varepsilon_0 також вийшов із вживання у більшості сучасних авторів, хоч деякі випадки його використання ще мають місце.

Недавно прийнятий вираз "електрична константа" уникає використання слова "проникність" в імені \varepsilon_0 , і також в якості додатку використовує "вільний простір" або "вакуум" (що не є такою простою добавкою, як це може здатися). Термін "електрична константа" уникає припущення того, що \varepsilon_0 , яка є похідною величиною, основаною на величині c0 та \mu_0 , як це було вказано вище, є "властивість" чогось фізично досяжного.

Для замітки, константа може позначатися як \varepsilon_0 , так і \epsilon_0 , використовуючи обидва звичайні гліфи для літери епсілон.

Проникність вакууму [ред.]

\varepsilon_0 Вільний простір, або вакуум є типова ідеалізація, що приймається на віру (оскільки є аксіома) в різноманітних фізичних теоріях, і тому реальна система до нього може лише "наближатися", хоч він і є фізично недосяжним. Досяжний вакуум називається частковим вакуумом (partial vacuum). [15]

Електрична проникність вільного простору по визначенню \varepsilon_0 . Іншими словами, відносна електрична проникність вільного простору є 1 по визначенню. Припускаючи, що вільний простір є недосяжний, величина метр визначається із фіксованого значення c0, і ампер визначається через фіксоване значення \mu_0 . Таким чином, фіксуючи і \varepsilon_0 одночасно. (Для детальнішого ознайомлення з даним предметом вибору незалежних одиниць дивись Джексона.[16])

На відміну від вакууму класичної фізики, сучасна фізика вакууму відноситься до т.з. вакуумний стан або квантовий вакуум, котрий є «без сумніву простим пустим простором».[17][18] Таким чином, вільний простір не є синонім для фізичного вакууму. Для детальнішого розгляду дивись статтю по вільний простір та вакумний стан.

Посилаючись на частковий вакуум, котрий використовується в лабораторіях для установки стандартів в системі СІ, виникає завпитання наскільки частковий вакуум є адекватним до вільного простору, і які корекції (якщо необхідно) слід зробити для отриманих експериментальних результатів. Наприклад, корекцій стосовно ненульового тиску, що обов"язково.[19] Експерименти повинні враховувати нові властивості вакуумного стану, [20] передбачені корекції на дату є настільки малі, що вони не впливають на «необхідні корекції, які повинні бути використані для врахування актуальних умов»[19] при установленні стандарту метру чи амперу.

Для розгляду останніх досягнень в галузі часткового вакууму, див. статтю ультрависокий вакуум та вільний простір.

Зауваження [ред.]

Слід відзначити, що існує досить упереджене відношення до магнітної та електричної констант з боку прихильників системи СГС, яке має витоки з раннього етапу становлення системи СІ. В ті часи і магнітна, і електрична константи визначалися чисто формально, як розмірні числові множники, що залежать від числа «пі» у вигляді:

\varepsilon_0^* = \frac{1}{36\pi\cdot 10^9} = 8,841941283\cdot 10^{-12}Ф/м.

Відношення сучасної електричної константи, до раніше штучно введеної рівне:

\delta = \frac{\varepsilon_0}{\varepsilon_0^*} = 1,000692286,

тобто не дуже сильно відрізняється від сьогочасного значення, яке визначається через швидкість світла у вакуумі. Звідси також «ростуть корені» несприймання т.з. хвильового опору вакууму, який в старих позначеннях був:

Z_{W0} = \sqrt{\frac{\mu_0}{\varepsilon_0^*}} = 120\pi = 376,9911184 Ом,

тобто майже ціле число 377 Ом. Насправді сучасне значення цього опору рівне 376,730313 Ом, і визначається швидкістю світла у вакуумі.


Примітки [ред.]

  1. ↑ а б CODATA. «Electric constant». 2006 CODATA recommended values. NIST. Процитовано 2007-08-08. 
  2. ↑ Німецькою — elektrische Feldkonstante
  3. ↑ Цитата із NIST:"Сьогодні слід використовувати символ c_0 для позначення швидкості світла у вакуумі згідно з ISO 31 (в рекомендаціях 1983 року використовувався символ c для цих цілей). "Дивись NIST Special Publication 330, Appendix 2, p. 45
  4. ↑ Звіт CODATA, ст. 6-7
  5. ↑ а б B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics (Wiley, 1991)
  6. ↑ а б FW Sears, Zemansky MW & Young HD (1985). College physics. Reading, Mass.: Addison-Wesley. с. p. 40. ISBN 0201078368. 
  7. ↑ а б «Naturkonstanten». Freie Universitat Berlin. 
  8. ↑ SM Sze & Ng KK (2007). Physics of semiconductor devices (вид. Third Edition). New York: Wiley-Interscience. с. Appendix E, p. 788. ISBN 0-471-14323-5. 
  9. ↑ RS Muller, Kamins TI & Chan M (2003). Device electronics for integrated circuits (вид. Third Edition). New York: Wiley. с. Inside front cover. ISBN 0-471-59398-2. 
  10. ↑ Sam Bowen (1991). «В чому полягає значимість електричної проникності вільного простору?». Запитай вченого. Argonne National Laboratory. 
  11. ↑ Міжнародне Бюро вимірювання та ваг (2006). «Міжнародна система одиниць (СІ)» (PDF). с. p. 12. 
  12. ↑ а б Braslavsky, S.E. (2007), «Словник термінів, що використовуються в (IUPAC рекомендації 2006)», Pure and Applied Chemistry 79: p. 293-465; see p. 348., http://www.iupac.org/publications/pac/2007/pdf/7903x0293.pdf 
  13. ↑ King, Ronold W. P. (1963). Fundamental Electromagnetic Theory. New York: Dover. с. p. 139. 
  14. ↑ IEEE Standards Board (1997). «IEEE стандарт визначень термінів для розповсюдження радіохвиль». с. p. 6. 
  15. ↑ Вираз частковий вакуум припускає одне основне джерело відходу від терміну "наближений вакуум", похідне від "вільного простору", тобто розуміється ненульовий тиск. Проте, існують і інші можливості для неідеальності. Наприклад, сильні електричні та магнітні поля. Дивись, наприклад,Di Piazza et al.: Дифракція світла в сильній стоячій електромагнітній хвилі Phys.Rev.Lett. 97 (2006) 083603, Gies, H et al.: Розповсюдження поляризованого світла в магнітному полі як варіант мілізаряжених ферміонів Phys. Rev. Letts. 97 (2006) 140402
  16. ↑ John David Jackson (1999). Класична електродинаміка (вид. Third Edition). New York: Wiley. с. Appendix on units and dimensions; pp. 775 et seq.. ISBN 047130932X. 
  17. ↑ Astrid Lambrecht (Hartmut Figger, Dieter Meschede, Claus Zimmermann Eds.) (2002). Спостереження механічної дисіпації квантового вакууму: експериментальний визов; в Лазерна фізика на межі. Berlin/New York: Springer. с. p. 197. ISBN 3540424180. 
  18. ↑ Walter Dittrich & Gies H (2000). Випробовуючи квантовий вакуум: наближення ефективної дії теорії збурень. Berlin: Springer. ISBN 3540674284. 
  19. ↑ а б Стосовно цих корекцій, CIPM RECOMMENDATION 1 (CI-2002) p. 195 говорить тільки, що у всіх випадках будь-яка необхідна корекція прикладається для врахування актуальних умов таких, як дифракція, гравітація чи недосконалість вакууму. CIPM є акронім від Міжнародний комітет ваг та вимірів.
  20. ↑ See, for example, CC Davis et al. Experimental challenges involved in searches for ... nonlinear QED effects by sensitive optical techniques

Дивись також [ред.]

Отримано з http://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Електрична_константа&oldid=9923051