Електрична константа

Електрична проникність вакууму (electric permittivity of vacuum або Vacuum permittivity), або електрична стала (electric constant)) у Міжнародній системі величин (ISQ) — 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 ISQ швидкість світла у вакуумі $c$ слід позначати іншим символом [3] з таким значенням: $c_{0}{\overset {\underset {\mathrm {def} }{}}{=}}299792458$ 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 такою 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 SI або Кл²Н⁻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 ірраціонального 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

В інших системах електромагнітних величин цей параметр рівний $\varepsilon _{0}=1$ . Це справедливо для Системи Гауса, Система одиниць Лоренца-Хевісайда, а також дехто використовує Природну систему одиниць (тоді як інші вибирають значення $\varepsilon _{0}=1/4\pi$ , наприклад, в електростатичній cистемі СГС).

Константа Кулонівської сили (Coulomb force constant) або електростатична константа (electrostatic constant) k_e 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

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 як додаток 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 епсилон.

Проникність вакууму

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 встановлення еталонів в системі SI, 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 еталона метра чи ампера.

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

Зауваження

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 ISQ. 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

CODATA. Electric constant. 2006 CODATA recommended values. NIST. Архів оригіналу за 23 квітня 2007. Процитовано 8 серпня 2007.
Німецькою — elektrische Feldkonstante
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
Звіт CODATA, ст. 6-7
B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics (Wiley, 1991)
FW Sears, Zemansky MW & Young HD (1985). College physics. Reading, Mass.: Addison-Wesley. с. p. 40. ISBN 0201078368.
Naturkonstanten. Freie Universitat Berlin. Архів оригіналу за 29 грудня 2008. Процитовано 3 грудня 2008.
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.
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.
Sam Bowen (1991). В чому полягає значимість електричної проникності вільного простору?. Запитай вченого. Argonne National Laboratory. Архів оригіналу за 5 грудня 2008. Процитовано 3 грудня 2008.
Міжнародне Бюро вимірювання та ваг (2006). Міжнародна система одиниць (SI) (PDF). с. p. 12. Архів оригіналу за 5 листопада 2013. Процитовано 3 грудня 2008.
Braslavsky, S.E. (2007). Словник термінів, що використовуються в ([[IUPAC]] рекомендації 2006). Pure and Applied Chemistry 79: p. 293–465; see p. 348. Назва URL містить вбудоване вікіпосилання (довідка)
King, Ronold W. P. (1963). Fundamental Electromagnetic Theory. New York: Dover. с. p. 139.
IEEE Standards Board (1997). IEEE стандарт визначень термінів для розповсюдження радіохвиль. с. p. 6. Архів оригіналу за 27 червня 2013. Процитовано 3 грудня 2008.
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
John David Jackson (1999). Класична електродинаміка (вид. Third Edition). New York: Wiley. с. Appendix on units and dimensions; pp. 775 et seq.. ISBN 047130932X.
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.
Walter Dittrich & Gies H (2000). Випробовуючи квантовий вакуум: наближення ефективної дії теорії збурень. Berlin: Springer. ISBN 3540674284.
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.
See, for example, CC Davis et al. Experimental challenges involved in searches for ... nonlinear QED effects by sensitive optical techniques

Див. також

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[NIST-1] CODATA. Electric constant. 2006 CODATA recommended values. NIST. Архів оригіналу за 23 квітня 2007. Процитовано 8 серпня 2007.

[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

[Saleh-5] B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics (Wiley, 1991)

[Zemansky-6] FW Sears, Zemansky MW & Young HD (1985). College physics. Reading, Mass.: Addison-Wesley. с. p. 40. ISBN 0201078368.

[Freie_Universitat_Berlin-7] Naturkonstanten. Freie Universitat Berlin. Архів оригіналу за 29 грудня 2008. Процитовано 3 грудня 2008.

[Sze-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.

[Muller-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 5 грудня 2008. Процитовано 3 грудня 2008.

[11] Міжнародне Бюро вимірювання та ваг (2006). Міжнародна система одиниць (SI) (PDF). с. p. 12. Архів оригіналу за 5 листопада 2013. Процитовано 3 грудня 2008.

[IUPAC-12] Braslavsky, S.E. (2007). Словник термінів, що використовуються в ([[IUPAC]] рекомендації 2006). Pure and Applied Chemistry 79: p. 293–465; see p. 348. Назва URL містить вбудоване вікіпосилання (довідка)

[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 27 червня 2013. Процитовано 3 грудня 2008.

[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

[Jackson-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.

[Lambrecht-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.

[Dittrich-18] Walter Dittrich & Gies H (2000). Випробовуючи квантовий вакуум: наближення ефективної дії теорії збурень. Berlin: Springer. ISBN 3540674284.

[BIPM-19] 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