负相对介电常数的思考.docx

负相对介电常数的思考 张超 F1303011 5130309366摘要：相对介电常数为正值是大家普遍认同的，但是理论上相对介电常数为负值的研究却是当下的一个热点问题。负相对介电常数在物理学和材料科学等科研领域和实际生活方面都有极其深远的意义。本文通过对极板上带均匀电荷的、极板间充满相对介电常数小于零的电介质的平行板电容器的纯粹理论分析与公式推导论述了相对介电常数为负值的两种可能的情况，提出了由放射性物质或者反物质组成的电介质的相对介电常数可能为负值的观点。关键词：相对介电常数，负值，放射性物质，反物质引言：相对介电常数为负值的研究目前已成为世界科研领域的热点。这方面的研究是开发左手材料(LHM)的重要跳板，而LHM具有许多奇异性质，可以应用于通讯系统以及资料储存媒介的设计，可用来制造容量更大的储存媒体；与之有关的等效负折射媒质电路可以有效拓宽器件频带，改善器件的性能；将来，LHM还将在无线通信发展中起到不可忽视的作用1。因此，研究相对介电常数为负值的电介质在物理学和材料科学等科研领域和实际生活方面都有极其深远的意义。本文就相对介电常数为负值的可能情况做了一定的论述。1. 理论分析1.1介电常数的基本概念与负介电常数根据静电学的研究成果,真空中一个孤立的电荷q 会在其周围产生电场E ,当另外的一个试验电荷q0 进入到该电场中时会受到电场力的作用。由电荷q 所产生的电场强度为:E=q/40r，其中,0 为真空中的介电常数; r 为距离点电荷q 的径向距离。一般来说,电场强度是一个矢量。真空中的介电常数0 表征了孤立电荷q 在给定的距离r 上产生的电场强度的大小。如果将真空条件换为某种电介质, 则同样的孤立电荷q 所产生的电场强度将可表示为: E=q/4r其中,为该种电介质的介电常数。在实际应用中, 人们通常将真空中的介电常数0 选作一个参照,而将电介质的介电常数与0的比值定义成为一个无量纲的相对介电常数r。除此之外相对介电常数还有另一种定义方式: 相对介电常数（relative dielectric constant），表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数。其值等于以预测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比，该值也是材料贮电能力的表征。也称为相对电容率。不同材料不同温度下的相对介电常数不同，利用这一特性可以制成不同性能规格的电容器或有关元件。2由此看来，正常物质的电介质的相对介电常数不可能为负值，那么相对介电常数为负值的物质可能是什么样的物质呢？其实，相对介电常数为负值的情况可以这样解释（以极板上带均匀电荷的、极板间充满相对介电常数为负值的电介质的平行板电容器中的电场为例）：r0 并且r=e+1e-1p=e0E=p=e0EE=0E=eE又E=E0-E E0=0 E=0-eEe=0E-1-10E0E0E0E00即其中：p：电介质极化强度 E：电介质中的总电场强度 E0：外加电场强度 E：极化电荷产生的电场强度 ：平行板电容器极板上的电荷面密度 ：电介质表面的极化电荷面密度也就是说，电介质中的极化电荷产生的电场强度大于外加电场强度。但是即使是导体置于电场中，感应电荷产生的电场理论上也只能做到与外加电场强度大小相等、方向相反。而电介质中产生极化电荷的原理又与导体中产生感应电荷的原理类似，但是其面密度又几乎都小于导体表面感应电荷的面密度，所以一般情况下，极化电荷产生的电场强度是无法与外加电场强度相等的。因此，相对介电常数小于零的电介质材料在外加电场下产生的极化电荷的面密度必定大于导体材料在相同电场下产生的感应电荷的面密度，才可能使自身相对介电常数为负值。2. 相对介电常数为负的猜想2.1放射性物质的相对介电常数可能为负放射性元素有特殊性质，能发生衰变并且同时释放出各种各样带电荷的粒子，所以由电荷守恒可知，如果衰变前电介质呈电中性，那么衰变后电介质基本就不再呈电中性了，其表面相当于带了电荷。因此当电介质的极化电荷产生的电场强度将外加电场强度抵消后，电介质表面的电荷在外加电场的作用下会受到电场力，从而向某一方向堆积，此时这些电荷在电介质中产生的电场不为零，而且方向与外加电场方向相反，所以就会出现极化电荷产生的电场强度大于外加场强的现象，即E0，因此e-1，从而达到r0。2.2反物质的相对介电常数可能为负在粒子物理学里，反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子正电子能形成一个反氢原子，如同电子和质子形成一般物质的氢原子。此外，物质与反物质的结合，会如同粒子与反粒子结合一般，导致两者湮灭，且因而释放出高能光子（伽玛射线）或是其他能量较低的正反粒子对。正反物质湮灭所造成的粒子，赋予的动能等同于原始正反物质对的动能，加上原物质静止质量与生成粒子静质量的差，后者通常占大部分。3由于反物质的原子由正电子和负原子核构成，而负原子核中又含有负质子，所以在反物质电介质内部的极化电荷产生的电场强度与外加电场强度抵消后，电介质表面的正电子由于受到平行板电容器带负电荷极板的吸引力，会向这个极板靠近；同理，电介质表面的负原子核会向平行板电容器中带正电的极板靠近。因此，电介质两端的电荷量进一步增加，从而电介质内部产生的电场强度就会高于外加电场强度，这会导致E0，因此e-1，从而达到r0。另外，从能量角度来分析，反物质与普通物质有湮灭趋势，因此当平行板电容器间充满反物质电介质时，正电子有与负电子（即平行板电容器极板上的负电荷）结合从而湮灭的趋势；同理，负原子核有与正原子核（即平行板电容器极板上的正电荷）结合从而湮灭的趋势，所以反物质表面的正电子靠近平行板电容器带负电的极板、负原子核靠近平行板电容器带正电的极板是理所当然的事情，因此反物质的相对介电常数是可能为负的。3. 总结某物质具有负相对介电常数，则该物质在外加电场下产生的极化电荷的面密度必须大于导体材料在相同电场下产生的感应电荷的面密度。结合已知的一些物质的性质，放射性物质或反物质可能符合这中条件。但是这个这是理论猜想，要想验证对错与否还需要更严谨的理论与实践。参考文献1 物理学报 2007年10月 第10期 第56卷2 百度文库 相对介电常数的概念3 维基百科 反物质致谢 感谢猛爷不拘束与我校传统的物理教学，不仅在课堂上适时的脱离课本，拓展学生的视野，在课后，也没