负相对介电常数的思考

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1、负相对介电常数的思考张超F13030115130309366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

2、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

3、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/4πε0r，其中,ε0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ε0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/4πεr其中,ε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ε0选作一个参照,而将电介

4、质的介电常数ε与ε0的比值定义成为一个无量纲的相对介电常数εr。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（relativedielectricconstant），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

5、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）：∵εr<0并且εr=χe+1∴χe<-1∵p=χeε0Eσ'=p∴σ'=χeε0E∵E'=σ'ε0E'=χeE又∵E=E0-E'E0=σε0∴E=σε0-χeE∴χe=σε0E-1<-1∴σε0E<0然而∵σ和ε0均>0∴E<0∴E0

6、电容器极板上的电荷面密度σ'：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

7、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E<0

8、，因此χe<-1，从而达到εr<0。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