自從麥克斯韋(Maxwell)的經典電磁理論於1865 年發表以及1887 年赫茲(Hertz)的電磁波實驗問世以來,電磁學以及由其發展出來的科學技術正在改變人們的生活方式。隨著電磁學領域的研究熱點光子晶體(photonic crystal)、超構材料(metamaterials)[1]以及表面等離激元(surface plasmons)的興起,越來越需要用到表徵材料電磁特性的3 個物理參量:介電常數或電容率、磁導率和電導率[2]。但是在現行的有關電磁學的中文書籍和科技論文中,介電常數或電容率的中文名稱卻不夠準確,導致大學生和研究生對電磁理論的理解不夠準確。這種誤會來源於英語本身的不確定性以及中文翻譯的不夠準確性。另外,物理學中的一些專業術語的中文翻譯不夠準確, 如polarization [3], emergence [4],plasma 和plasmon[5]等的中文翻譯。這是物理學名詞中的一個較為普遍的現象。因此,有必要對此進行深入的分析並給出更加準確的表述。作者根據多年的教學經驗和實際的科研體會,對這3 個物理參量進行深入的分析比較,根據permittivity 準確的物理含義,對其英文和中文的專業術語進行規範。這樣既有利於學生深入理解電磁理論,提高理論水平,又有利於學生提高自主創新能力。
在電磁學中用3 個物理參量:介電常數或電容率、磁導率和電導率來表徵材料的電磁特性。這些專業術語來源於英語的翻譯。在英語中表徵「介電常量/數」這個物理量的名詞有3 個:dielectric constant 或者dielectric function 或者permittivity。這樣,其中文直譯依次為:介電常數,介電函數,電容率。然而,由於歷史原因,在現行的中文教科書和科技文獻中幾乎都採用dielectric constant 的翻譯「介電常數」來表徵材料對電場的電極化特性。這樣,這個術語就存在一些問題。目前,在英語文獻中,已經規範地使用permittivity (其詞源為permit)這個術語了。正如Wikipedia 所解釋的那樣[6]:In electromagnetism, absolute permittivity is the measure of the resistance that is encountered when forming an electric field in a medium. In other words, permittivity is a measure of how an electric field affects, and is affected by, a dielectric medium. The permittivity of a medium describes how much electric field (more correctly, flux) is 「generated」 per unit charge in that medium. More electric flux exists in a medium with a high permittivity (per unit charge) because of polarization effects. Permittivity is directly related to electric susceptibility, which is a measure of how easily a dielectric polarizes in response to an electric field. Thus, permittivity relates to a material’s ability to transmit (or 「permit」)an electric field. (中譯文為:在電磁學中,絕對的電應率是指,當在某一媒質中形成電場時所遭遇的一種阻礙的測量。換言之,電應率是指電場如何影響一個電介質或者電介質如何影響電場。一個媒質的電應率描述了在那個媒質中每單位電荷「產生」多大的電場(更準確地說是電位移量)。因為極化效應,在一個具有高的(每單位電荷)電應率的媒質中,電位移量就大。電應率直接與電極化率相關,電極化率是指某一電介質在響應某一電場極化容易程度的一種描述。這樣,電應率就與材料傳遞或「許可」電場的能力有關。)據此,我們對permittivity的物理含義有了清楚的理解。我們都知道,材料的電極化特性不僅會隨著工作頻率而且有可能隨著空間位置的變化而變化(對於非均勻材料而言), 同時還會受到環境因素(如溫度)等的影響。例如金屬的電極化特性在微波頻段近似為常數,但在光波頻段卻是用德魯德(Drude)模型來表述,它隨著工作頻率的變化而變化,具有明顯的色散特性。這樣,介電常數中的「常數」二字容易引起學生的誤解,導致不必要的錯誤。當然在微波頻段,大多數各向同性的、均勻的和線性的電介質材料(如空氣)的電極化特性近似為常數,但這只是一個特例而已。
為了統一表徵材料的電極化特性,在現在主流的英文文獻中,一般都採用permittivity 這個詞語。然而,這個詞的中文翻譯如前所述,一般譯為「介電常數或電容率」。顯然,採用介電常數這個譯法是不妥的。那麼採用「電容率」這個譯法又如何呢?作者認為也是不妥的,這是因為「電容」(capacitance)這個術語多用在電路或準電路中,用在時變電磁場(隨時間變化的電磁場)中不夠準確。另外,即使使用「電容」這個術語,也與由於電場引起材料的電極化特性沒有什麼物理上的聯繫。下面討論表徵磁場引起的磁化響應特性的permeability(其詞源為permeate)。正如Wikipedia所解釋的那樣[7]:In electromagnetism, permeability is the measure of the ability of a material to support the formation of a magnetic field within itself. In other words, it is the degree of magnetization that a material obtains in response to an applied magnetic field. (中譯文為:在電磁學中,磁導率是指某一材料支持在它內部形成磁場能力的測量。換言之,磁導率是指材料對外加磁場響應時該材料獲得的磁化程度。)按照磁路的觀點,磁路中的permeability 與電路中的conductivity對應,該單詞就被譯為「磁導率」。根據其物理意義,這個「導」應為「誘導」或「導致」之意;「率」有變化之意。另一方面,表徵導體導電能力的物理量為conductivity, 嚴格地講,在英文中conductivity(其詞源為conduct)有兩類[8]:thermal conductivity和electrical conductivity。正如Wikipedia 所解釋的那樣[9]:Electrical conductivity or specific conductance is the reciprocal quantity of the electrical resistivity, and measures a material’s ability to conduct an electric current。( 中譯文為: 電導率是電阻率的倒數,它描述了材料傳導電流的能力。)在中文文獻中,conductivity 通常譯為「電導率」。根據其物理意義,此處的「導」 應為「傳導」之意,而非「誘導」或「導致」之意。因此,作者認為分別譯為「導熱率」和「導電率」更為準確和簡潔,而且不容易與磁導率中的「導」混淆。根據物理學中的對稱性和這3個英語單詞都含有「tivity」,permittivity 最好譯為「電導率」,而不是「電容率」。然而,「磁導率」和「電導率」這兩個術語已經使用多年,且涉及面廣,是不便於改動的。基於這種實際情況,為了避免permittivity的現在翻譯「電導率」與conductivity的翻譯雷同,建議permittivity 譯為「電應率」 (響應率之意)。
在本文中,作者根據電磁學中的3 個物理參量的物理含義,對其進行了全面的分析,給出採用permittivity的中文翻譯「電應率」的建議。這樣不僅有利於物理名詞的規範使用,同時也有利於根據中文名詞對其進行正確理解,達到望文明意的目的。
致謝 感謝電子科技大學物理電子學院應用物理系鄔劭軼教授和滕保華教授給予本論文的幫助,同時還特別感謝匿名審稿者對本論文的有益建議。
參考文獻
[1] 賴耘,杭志宏,黃學勤等. 物理, 2012, 41(9):589
[2] 物理學名詞審定委員會. 物理學名詞. 北京: 科學出版社, 1997. 25, 29
[3] 曹則賢. 物理, 2012, 41(9):607
[4] 趙凱華. 物理, 2012, 41(9): 611
[5] 馬騰才,胡希偉,陳銀華. 等離子體物理原理. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 2012. 353, 354
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Permittivity
[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Permeability_(electromagnetism)
[8] Alan Isaacs.牛津物理學詞典.上海:上海外語教育出版社,2001.75
[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_conductivity