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: Неможливо розібрати вираз (лексична помилка): с_0\overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} 299 792 458 м/с^{-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 показано нижче).

Використання в інших системах вимірювання[ред.ред. код]

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.ред. код]

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.ред. код]

 \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.ред. код]

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.ред. код]

  1. а б CODATA. «Electric constant». 2006 CODATA recommended values. NIST. Архів оригіналу за 2013-06-27. 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. Архів оригіналу за 2013-06-27. 
  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. Архів оригіналу за 2013-06-27. 
  11. Міжнародне Бюро вимірювання та ваг (2006). «Міжнародна система одиниць (СІ)» (PDF). с. p. 12. Архів оригіналу за 2013-06-27. 
  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. Архів оригіналу за 2013-06-27. 
  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.ред. код]