真空介電常量基本概念

真空介電常量是電磁學(xué)中在度量物理量時(shí)引進(jìn)的常數(shù)（主要是庫(kù)侖定律中對(duì)電荷量的度量）。根據(jù)麥克斯韋方程組，可推知真空介電常數(shù)與其它物理常數(shù)的關(guān)系：

其中，c是光波傳播于真空的光速，

如同前面所述，真空電容率是一個(gè)度量系統(tǒng)常數(shù)。它出現(xiàn)于電磁量的定義方程，主要是因?yàn)橐粋€(gè)稱為理想化的程序。只使用純理論的推導(dǎo)，麥克斯韋方程組奇異地預(yù)測(cè)出，電磁波以光速傳播于自由空間。繼續(xù)推論這個(gè)預(yù)測(cè)，就可以給出具體的數(shù)值。若想了解為什么會(huì)有這數(shù)值，需要閱讀一下電磁度量系統(tǒng)的發(fā)展史。

在以下的講述中，注意經(jīng)典物理學(xué)并不特別區(qū)分“真空”和“自由空間”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。當(dāng)今文獻(xiàn)里，“真空”可能指為很多種不同的實(shí)驗(yàn)狀況和理論實(shí)體。在閱讀文獻(xiàn)時(shí)，只有上下文可以決定術(shù)語(yǔ)的含義。

真空介電常量，又稱為真空電容率，或稱電常數(shù)，是一個(gè)常見(jiàn)的電磁學(xué)物理常數(shù)，符號(hào)為ε₀。在國(guó)際單位制里，真空介電常量的數(shù)值為：

ε₀＝8.854187817 × 10^-12 F/m（近似值）。

物理學(xué)中，真空介電常數(shù)是一個(gè)重要常數(shù)，用ε₀表示。

我們假設(shè)一正一負(fù)兩電荷（電量為e）在相距距離為r的地方“靜止”。其勢(shì)能為：

應(yīng)指出，兩電荷“靜止”不代表其絕對(duì)靜止，它們也在真空背景溫度下悄悄運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)可看成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)（也可用圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)描述），周期為t。因此，某個(gè)電荷要產(chǎn)生電流I，且I＝e/t。

由于電荷運(yùn)動(dòng)其電場(chǎng)也跟著變化（指空間靜止某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度變化），又由于位移電流的本質(zhì)是變化電場(chǎng)，所以這種變化的電場(chǎng)就會(huì)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?yàn)槲灰齐娏鞯谋硎鍪娇蓪?xiě)為：

這里，E為電場(chǎng)強(qiáng)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(guān)系。而這里的I＝e/t是從定義式I＝dQ/dt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?cè)俑鶕?jù)相對(duì)性原理得出，任何物理規(guī)律都有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。因此，某電流所受的電壓（或電勢(shì)）e/(ε₀4πr)也應(yīng)滿足歐姆定律U＝IR。其中，U為電壓，R為電阻。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電阻的表達(dá)式為

我們又知道，導(dǎo)體的電阻是由其內(nèi)部的雜質(zhì)而引起，而對(duì)于真空來(lái)說(shuō)，其中沒(méi)有雜質(zhì)。因此，真空的電阻只有幾何因素，沒(méi)有物質(zhì)結(jié)構(gòu)因素（電阻率）?；蛘哒f(shuō)，真空沒(méi)有電阻率這個(gè)概念，真空的電阻率可看作1，沒(méi)有轉(zhuǎn)化系數(shù)。對(duì)于兩點(diǎn)電荷來(lái)說(shuō)，其位移電流的電阻為：

用這個(gè)電阻乘以單個(gè)電荷的電流I，有

它等于受到的電壓，有

把

將t＝1.762×10^-11代進(jìn)去，可得真空介電常數(shù)的理論值：

這和實(shí)驗(yàn)值 ε₀＝8.85 × 10^-12 F/m 相比較，基本相符。說(shuō)明了推導(dǎo)的可行性與合理性。

真空介電常數(shù)本質(zhì)上應(yīng)是時(shí)間的量綱。

值得一提的是，t＝1.762 × 10^-11s在數(shù)值上剛好近似等于真空介電常數(shù)ε₀的一半，這兩個(gè)量之間有什么關(guān)系呢？

為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，這里假定真空中有二個(gè)帶有相同電量（電量為e）的點(diǎn)電荷相互作用，相互作用勢(shì)能為

如果單個(gè)電荷以周期 t 做圓周運(yùn)動(dòng)，則電流強(qiáng)度為 I＝e/t。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電阻的表達(dá)式可寫(xiě)為：

其中，ρ為電阻率，

由于系統(tǒng)處在真空之中，電阻率很大（相對(duì)于導(dǎo)體來(lái)說(shuō)），但電子的運(yùn)動(dòng)是自由的，兩個(gè)點(diǎn)電荷間的電阻為：

一個(gè)電荷相對(duì)一另一個(gè)電荷的電勢(shì)

比較勢(shì)能表達(dá)式，可知 ε₀＝t/2。

該式表明真空介電常數(shù)ε₀與真空背景周期成正比。如果假定電阻率 ρ＝1，則真空背景周期與真空介電常數(shù)在數(shù)值上完全相等?？傻茫?

上式說(shuō)明真空背景溫度與真空介電常數(shù)成反比，這個(gè)結(jié)果也顯示現(xiàn)實(shí)真空環(huán)境與宇宙背景有直接關(guān)系。雖然用 e/t 來(lái)表示位移電流的空間分布并不嚴(yán)格，但是足以說(shuō)明真空介電常數(shù)的測(cè)量值與宇宙背景溫度有很大程度的關(guān)聯(lián)。 2100433B

電介質(zhì)經(jīng)常是絕緣體。其例子包括瓷器(陶器)，云母，玻璃，塑料，和各種金屬氧化物。有些液體和氣體可以作為好的電介質(zhì)材料。干空氣是良好的電介質(zhì)，并被用在可變電容器以及某些類型的傳輸線。蒸餾水如果保持沒(méi)有雜質(zhì)的話是好的電介質(zhì)，其相對(duì)介電常量約為80。一個(gè)電容板中充入介電常數(shù)為ε的物質(zhì)后電容變大ε倍。2100433B

介電系數(shù)，是一個(gè)在電的位移和電場(chǎng)強(qiáng)度之間存在的比例常量。這一個(gè)常量在自由的空間（一個(gè)真空）中是8.85×10的-12次方法拉第/米（F/m）。在其它的材料中，介電系數(shù)可能差別很大，經(jīng)常遠(yuǎn)大于真空中的數(shù)值，其符號(hào)是eo。 在工程應(yīng)用中，介電系數(shù)時(shí)常在以相對(duì)介電系數(shù)的形式被表達(dá)，而不是絕對(duì)值。如果eo表現(xiàn)自由空間（是，8.85×10的-12次方F/m）的介電系數(shù)，而且e是在材料中的介電系數(shù)，則這個(gè)材料的相對(duì)介電系數(shù)（也叫介電常數(shù)）由下式給出： ε1=ε / εo=ε×1.13×10的11次方 很多不同的物質(zhì)的介電常數(shù)超過(guò)1。這些物質(zhì)通常被稱為絕緣體材料，或是絕緣體。普遍使用的絕緣體包括玻璃，紙，云母，各種不同的陶瓷，聚乙烯和特定的金屬氧化物。絕緣體被用于交流電（AC），聲音電波（AF）和無(wú)線電電波（射頻）的電容器和輸電線路。

測(cè)試介電強(qiáng)度的儀器信息

介電擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀 滿足GB1408.1-2006 要求，主要適用于固體絕緣材料如：塑料、薄膜、樹(shù)脂、云母、陶瓷、玻璃、、絕緣漆等介質(zhì)在工頻電壓或直流電壓下?lián)舸?qiáng)度和耐電壓時(shí)間的測(cè)試；該儀器采用單片機(jī)控制，可對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的采集、處理，并可存取、顯示、打印 的一種測(cè)試儀器。