論真空介電常數的本質
本文通過真空背景溫度,定義了真空背景周期。并從理論上指出,真空介電常數等于真空背景周期的二分之一。同時,真空電阻率應為1。
一、定義真空背景周期
我們知道,真空環境下的溫度為T=2.725開。其乘上玻爾茲曼常數K即可表示真空中微粒的平均能量。由于KT表勢能,hυ也表勢能。其中,h為普朗克常數,υ表頻率。
又由于頻率υ為周期t的倒數,故有
hυ=KT⇒h/t=KT⇒t=h/KT
把h=6.626×10-34,K=1.3807×10-23,T=2.725代進去,得:t=h/KT=1.762×10-11(秒)。
真空技術網(smsksx.com)暫把這個周期稱為真空背景周期。它表示在真空背景溫度下微粒的平均運動周期。
二、真空介電常數的本質
物理上,真空介電常數是一個重要常數,用 ε0表示。
我們假設一正一負兩電荷(電量為e)在相距距離為r的地方“靜止”。其勢能為:
應指出,兩電荷“靜止”不代表其絕對靜止,它們也在真空背景溫度下悄悄運動。這個運動可看成簡諧運動(也可用圓周運動來描述),周期為t。因此,某個電荷要產生電流I,且I=e/t。
由于電荷運動其電場也跟著變化(指空間靜止某點的電場強度變化),又位移電流的本質是變化電場,所以這種變化的電場就會在兩電荷之間傳遞,形成電流。此處的位移電流周期也為t,大小也為I=e/t。因為位移電流的表述式可寫為:
這里,E為電場強度,S為截面積,∫S為面積分。
式子右邊的積分可等電量Q,因此此式仍滿足I=dQ/dt的關系。而這里I=e/t是從I=dQ/dt定義式推出,因此,I=e/t,可表示這里的位移電流在空間分布的大小。
我們再根據相對性原理得出,任何物理規律都有相同的數學表達式,因此,某電流所受的電壓(或電勢)e/ε04πr 也應滿足歐姆定律U=IR,U為電壓,R為電阻。
又:R=ρl/s
其中,ρ為電阻率,l為電流長度,s為截面積。對兩點電荷來說,l=r,s=2πr2,因為位移電流的長度即為兩電荷間距離。應注意的是,截面似乎應是球面積4πr2,但其實不是。我們可作這樣分析:假設左邊電荷帶正電,右邊電荷帶負電,又假設右邊負電荷不存在時,左邊正電荷的電場線是以球面積發散,我們把這個球面分為左、右兩個半球面。當右邊有了負電荷時,正電荷的電場線應該幾乎全部向右邊半球指向(因為正電荷指向左邊的電場線,這時也會受負電荷影響,也會迂回向右指向),又由于位移電流是變化電場,那么變化電場這種電流就幾乎全集中在右邊半球,而左邊半球幾乎無電流,那么左邊半球面對電阻就應無貢獻。因此,正電荷的電阻就應取右邊半球,其截面為半個球面,即2πr2(當然,也可用其它方法分析,結論一樣)。
我們又知道,根據量子力學觀點,導體的電阻是由其內部的雜質而引起,而對于真空來說,其中沒雜質,因此,真空的電阻只有幾何因素,沒有物質結構因素(電阻率),或者說真空沒有電阻率這個概念,真空的電阻率可看作1,沒有轉化系數。對于兩點電荷來說,其位移電流的電阻為:
這和實驗值 ε0=8.85×10-12相比較,基本相符。說明了推導的可行性。
真空介電常數本質上應是時間的量綱。
小結
前面所述,可能真空電阻率取1這一點,較難理解,我們這里也可這樣說明:真空電阻率肯定是一個確定的數。我們若把真空電阻率取除1以外的任意數時,我們都不能用理論或邏輯推導計算出它,因為電阻率與物質結構有關,而真空沒有物質結構,它的存在沒有道理。所以,真空的電阻率只能取1。
另外,本文計算真空介電常數時,理論值和實驗值有大約有1/200的誤差,這時由于:如正電荷的電場線在負電荷存在時還是有少量的向左邊半球指向,考慮上這個因素,前面的計算值只能比實驗值稍小。但文中所述道理卻是成立的。所以,誤差也可修正。讀者可判斷這方面。關于說明真空介電常數的本質,作者是有把握的,這些有很多應用,如分析霍耳電阻。讀者可進行思考。具體內容本文就不敘述了。