相对介电常数为负值的研究

负相对介电常数的思考张超F13030115130309366摘要：相对介电常数为负值的研究目前已成为科研领域的热点，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。然而，这个结论尚不成熟，仍需推敲。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.理论分析与公式推导众所周知，正常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）：∵εr0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∴σε0E0然而∵σ和ε0均0∴E0∴E0E′∴σε0σ′ε0即σ𝜎′注：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σ：平行板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匹敌的。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.相对介电常数小于零的可能情况2.1放射性物质理论由于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χe−1，从而达到εr0。2.2反物质理论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χe−1，从而达到εr0。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小于零也就不足为奇了。3.总结具有相对介电常数小于零的性质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。根据上文的分析，这种电介质可能是放射性物质或反物质。但是这个结论尚不成熟，还需进一步推敲和改进。参考文献[1]刘亚红，罗春荣，赵晓鹏同时实现介电常数和磁导率为负的H型结构单元左手材料[J]物理学报2007年10月第10期第56卷致谢