光速与真空介电常数和真空磁空导率的关系.doc
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1、光速与介电常数以及磁导率的关系灵遁者介电常数和磁导率这两个词,你一定在我的科普书中见过几次了,或者你的老师也提到过。但对于这两个词,其实科普内容或者教科书中都涉及的较少。网络上关于这两个概念的介绍,也不多。但我认为这两个词的概念,很重要。尤其是对于光速而言。我在第四十四章爱因斯坦是如何创立狭义和广义相对论的里有对光速进行过说明。因为光速不变原理是爱氏相对论的基础,所以不得不对这个问题进行深入探讨。而且大家也知道,光学理论的研究和发展,对于近代物理的每一次发展,都有很深的影响。所以本章可以看作是对光速的进一步解释和理解。而要解释清楚光速,光速的本质,离不开我上面提到的这两个概念。这里还是再把四十
2、四章的一个问题,拿出来再问一遍:你如何理解光速不变原理?关于光速不变原理的理解。注意再看一遍:光速不变原理是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。不要盯着光速值看,要看根本。就好比我问你:现在的光速值被认定为299,792,458 米每秒。假如100年后,光速值的测量变为299792458.001米每秒,那么你会说爱氏的相对论是错误的吗?很显然就原理所述而言,没有一点毛病,即使100年后光速测量变为299792458.001的时候,爱氏的相对论依然是正确的。因为对于任何观测者而言,光速都是这个值,光速是不变的。光速不变原理就是成立的。很多同学,一般会被光速值吸引,这是舍本逐末。在第四十四章
3、中,明确说过这样一句话,光速的本质:光速【真空】是一种时空束缚态,光速为定值是时空使然。也就是时空告诉物质如何运动,这种运动就包含了以多大速度运动。光是物质,自然就遵从时空规律。也就是光速的多少与时空性质有直接关系。更具体的的来说是真空磁导率和真空介电常数,引力场共同决定了光的速度。各位这就是引出了我们要介绍的两个概念了。先说说磁导率和真空磁导率。磁导率是表征磁介质磁性的物理量。表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后,产生磁通的阻力或是其在磁场中导通磁力线的能力。其公式=B/H ,其中H是磁场强度、B是磁感应强度,为介质的磁导率,或称绝对磁导率。通常使用的是磁介质的相对磁导率ur ,其定义为
4、磁导率与真空磁导率0之比,即 ur=/0 。相对磁导率ur与磁化率的关系是:ur =1+ xm。磁导率,相对磁导率ur 和磁化率xm都是描述磁介质磁性的物理量。而真空磁导率自然是限定了真空条件下的磁导率。真空磁导率是一个常数,也可以定义为一个基础的不变量,是真空中麦克斯韦方程组中出现的常数之一。在经典力学中,自由空间是电磁理论中的一个概念,对应理论上完美的真空,有时称为“自由空间真空”或“经典真空”。 常用符号0表示,由公式F=0I2h/2a定义,此式是真空中两根通过电流相等的无限长平行细导线之间相互作用力的公式,式中I是导线中的电流强度,a是平行导线的间距,F是长度为h的导线所受到的力,而称
5、0为真空磁导率,其值为0=410-7牛顿/安培2,或者0=410-7特斯拉米/安培,或者0 = 410-7 亨利/米。在高斯单位制(CGS)中,真空磁导率为无量纲的数,其值为1。真空磁导率0和真空电容率 以及光速 c的关系为: 。无限长载流直导线外距离导线r处:。其中, 为真空磁导率。r为该点到直导线距离。我们先不分析,先接续介绍关于真空介电常数的概念。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,介质中的电场减小与原外加电场(真空中)的比值即为相对介电常数(relative permittivity或dielectric constant),又称诱电率,与频率相关。如果有高介电常数的材料放在电场
6、中,电场的强度会在电介质内有可观的下降。理想导体的相对介电常数为无穷大。根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常,相对介电常数大于3.6的物质为极性物质;相对介电常数在2.83.6范围内的物质为弱极性物质;相对介电常数小于2.8为非极性物质。而这里所说的极性,是与电荷分布有关的。在化学中,极性指一根共价键或一个共价分子中电荷分布的不均匀性。如果电荷分布得不均匀,则称该键或分子为极性;如果均匀,则称为非极性。物理上通常认为极性是物体在相反部位或方向表现出相反的固有性质或力量。物质的一些物理性质(如溶解性、熔沸点等)与分子的极性相关。介电常数又称电容率或相对电容率,表征电介质或绝缘材料
7、电性能的一个重要数据,常用表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值,表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。空气和CS2的值分别为1.0006和2.6左右,而水的值较大,10时为 83.83。所以介电常数是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量。介电常数随分子偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学中,介电常数是溶剂的一个重要性质,它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数大的溶剂,有较大隔开离子的能力,同时也具有较强的溶剂化能力。介电常数是指物质保持电荷的能力,损耗因数是指由于物质的分散程度使能量损失的大小。理想的物质的两项参数值较小。而真空介电常数又称为
8、真空电容率,或称电常数,是一个常见的电磁学物理常数,符号为0。这个已经在上面提到了。在国际单位制里,真空介电常量的数值为:0=8. 85418781710F/ m(近似值)。真空介电常量是物理量在度量时引进的常数( 主要是库仑定律中对电荷量的度量) ,根据麦克斯韦方程组,可推知真空介电常数与其它物理常数的关系:。其中,c是光波传播于真空的光速,u0是真空磁导率。上式可作为真空介电常数的定义式。说到这里,我给大家说一点,你不要看到上面好多公式,就头疼了,其实对于科普来说,我们要找的是概念之间的关系。但作为研究而言,就要推导和谨慎。我说过我也不是专业科班出身的,所以我尽量按我的理解,通俗的给大家讲
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