Электрическая постоянная е0 - одна из фундаментальных характеристик физического мира. Почему ее численное значение так важно для понимания процессов в природе и технике? Давайте разберемся!
Определение электрической постоянной е0
Электрическая постоянная е0 была введена в науку Джеймсом Кларком Максвеллом в 1861 году при описании уравнений электромагнитного поля. Она является коэффициентом пропорциональности между напряженностью электрического поля E и электрическим смещением D. Физически этот коэффициент характеризует связь поля с его источником - зарядом. Чем больше электрическая постоянная, тем сильнее поле, создаваемое данным зарядом.
Константа е0 используется в таких фундаментальных законах и уравнениях:
- Закон Кулона для взаимодействия точечных зарядов
- Уравнения Максвелла классической электродинамики
- Выражение для энергии электрического поля конденсатора
В системе СИ электрическая постоянная е0 имеет размерность фарад на метр и численно равна:
е0 = 8,854187817 · 10-12 Ф/м
Интересный факт: численное значение е0 тесно связано со скоростью света в вакууме. Из уравнений Максвелла следует соотношение:
c = 1 / (μ0·ε0)1/2 где μ0 - магнитная постоянная. Подставляя численные значения констант, получаем значение скорости света c = 299 792 458 м/с с точностью до целых!
Знание электрической постоянной позволяет решать множество практически важных задач:
- Расчет емкости плоского конденсатора
- Определение напряженности поля точечного заряда
- Расчет сил взаимодействия в электрических цепях
До 2019 года численное значение е0 можно было легко вычислить через другие фундаментальные физические константы:
е0 = 1 / (μ0·c2)
Однако в 2019 году произошли изменения в СИ, о которых речь пойдет далее.
Причины пересмотра статуса константы
В 2011 году на Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение о будущем переопределении некоторых основных единиц СИ. В частности, предполагалось закрепить точное значение элементарного электрического заряда и на его основе дать новое определение ампера. Это должно было сделать единицы измерения независимыми от физических артефактов.
Новое определение ампера
Согласно новому определению, принятому в 2019 году, ампер - это тот электрический ток, который проходит через проводники цепи при поддержании на их концах разности потенциалов в 1 вольт и подводе к цепи мощности в 1 ватт. Кроме того, элементарному заряду приписано точное значение 1,602 176 634·10-19 кулона.
Практические последствия для е0
В результате этих изменений электрическая постоянная е0 перестала быть фиксированной константой и стала экспериментально определяемой величиной с некоторой погрешностью. Однако на практике ее численное значение фактически не изменилось и осталось равным 8,854187817·10-12 Ф/м с прежней высокой точностью.
Дискуссии в научном сообществе
Нововведения в СИ вызвали дискуссии среди ученых. Одни физики критиковали решение за отказ от привязки к фундаментальным константам. Другие, наоборот, поддержали его как шаг к большей универсальности. Предстоит посмотреть, насколько новый экспериментальный статус е0 окажется удобным на практике.
Значение е0 в различных системах единиц
Как уже говорилось, в системе СИ электрическая постоянная е0 имеет размерность Ф/м. Однако в некоторых других распространенных системах единиц она является безразмерной величиной. Например, в системе СГС е0 принимается равной 1.
Перевод значения константы из одной системы в другую осуществляется с помощью соответствующих формул. Важно правильно это делать, чтобы избежать ошибок при проведении инженерных расчетов и научных измерений.
Кроме фиксированных систем, предлагались и универсальные системы единиц, в которых электрическая постоянная также приобретала различный численный смысл.
Впрочем, несмотря на многообразие подходов, в настоящее время наиболее широко используется классическая система СИ с соответствующим стандартным значением е0.
Единицы измерения е0 в разных странах
Несмотря на существование универсальной системы СИ, в разных странах исторически использовались и локальные национальные стандарты для измерения электрических и магнитных величин. Это, в частности, приводило к различиям в единицах измерения электрической постоянной е0.
Система СГСЭ в России
В России в XIX веке была популярна система СГСЭ - система единиц СГС с электрическими единицами, определяемыми через единицы длины, массы и времени. В этой системе электрическая постоянная е0 была равна 1.
Система единиц СГСМ
В системе СГСМ, предложенной Дж. Максвеллом и Г. Гауссом, электрическая постоянная е0 имела размерность секунды в квадрате на сантиметр в квадрате и численно была равна приблизительно 1,11265·10-21 с2·см-2.
Практические неудобства разных систем
Использование различных национальных и локальных систем единиц значительно затрудняло международное научно-техническое сотрудничество, поскольку приходилось постоянно переводить показания приборов и результаты измерений из одной системы в другую. Это повышало вероятность ошибок и недопонимания.
Преимущества универсальной системы СИ
Универсальная система СИ со стандартизованным значением электрической постоянной е0 = 8,854187817·10-12 Ф/м позволила значительно упростить научно-техническое взаимодействие между разными странами и компаниями. Результаты экспериментов и расчеты в рамках СИ однозначно понимаются и интерпретируются во всем мире.
Перспективы совершенствования системы СИ
Несмотря на очевидные достоинства, система СИ продолжает совершенствоваться. В частности, как мы видели ранее, в 2019 году было изменено определение ампера и статус электрической постоянной е0. В будущем возможна дальнейшая модернизация единиц электричества и магнетизма в СИ.
