¿Cuál es una explicación intuitiva de la permitividad de vacío?

Muchos físicos argumentan que la existencia [matemáticas] \ epsilon_0 [/ matemáticas] es simplemente una consecuencia de nuestra elección de unidades, y completamente ficticia.

En las unidades del SI, la ley de Coulomb es, como saben,

[matemáticas] F_ {12} = \ frac {q_1 q_2} {4 \ pi \ epsilon_0 r ^ 2}. [/ matemáticas]

Sin embargo, las leyes del electromagnetismo pueden formularse en varios sistemas diferentes de unidades en las que toman formas sutilmente diferentes. Por ejemplo, en el sistema de unidades Gaussian CGS, que fue popular en el siglo pasado y se usa en muchos documentos y libros de texto, la ley de fuerza de Coulomb toma una forma diferente:

[matemáticas] F_ {12} = \ frac {q_1 q_2} {r ^ 2}. [/ matemáticas]

Espero que puedan ver cómo la permitividad del vacío puede verse como una cuestión de elección de unidades: para pasar de unidades SI a unidades gaussianas, puede absorber un factor de [matemática] 1 / \ sqrt {4 \ pi \ epsilon_0} [ / math] en tu unidad de carga y olvida que alguna vez existió.

El papel de [math] 4 \ pi \ epsilon_0 [/ math] en la ecuación SI es realmente convertir de unidades electrostáticas (Coulomb²) a unidades mecánicas (Newton Metre²).

También te gustaría saber sobre la permeabilidad.
Explicaré ambos:

Tanto ‘permitir’ como ‘permeable’ significa ‘permitir el paso’.

La Ley de Coulomb conduce a:

D = εE

y la Ley de Biot Savart conduce a:

H = B / μ

Vemos que E y B son cantidades aplicadas externamente (que no incorporan el efecto del material). D y H son cantidades utilizadas en fórmulas para análisis.

Entonces, todas estas constantes ( ε y μ ) son:

Actúan como un factor que incorpora el efecto del material.

Y aquí hay definiciones:

Permitividad: la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica en un campo eléctrico, es decir, hasta qué punto las líneas de campo eléctrico pueden penetrar esa materia.

Permeabilidad: la medida en que el campo magnético puede penetrar la materia.

Editar: había escrito B = μH . E interpretó la parte magnética incorrectamente. Gracias Thomas Jollans por señalar el error en los comentarios.

Contestaré desde una perspectiva de la electrodinámica cuántica.

La fuerza eléctrica se explica como un intercambio de “fotones virtuales” que intercambian impulso y energía con cargas. Una carga puntual dada emite fotones virtuales al azar en todas las direcciones por igual.

La permitividad del espacio libre es simplemente una relación entre la carga y el número / energía / etc. de fotones saliendo de ella.

En las no-aspiradoras (materiales), lo que sucede es que el intercambio de energía o momento por estos fotones virtuales causará la separación de carga en el material o polarización. Lo que sucede entonces es que cada uno de esos dipolos inducidos emitirá sus propios fotones virtuales, intensificando el flujo eléctrico total.

La permisividad de un medio es la resistencia que ofrece el medio al flujo de las líneas de campo eléctrico (a través del medio). Un medio con un alto valor de permitividad permitirá que exista un menor número de líneas de campo eléctrico en comparación con aquel cuya permitividad es menor (relativamente). Por ejemplo, en los condensadores, los dieléctricos con alta permitividad relativa o constante dieléctrica reducen el campo eléctrico dentro del material. Esto se debe a la polarización de los átomos (que forman el dieléctrico). Este efecto reduce el campo eléctrico externo dentro del dieléctrico a un valor neto que no es cero. La razón es que los átomos polarizados generan un campo eléctrico que es opuesto a la dirección del campo eléctrico externo. Sin embargo, este campo es menor en términos de magnitud, debido a una fracción (<1) de la carga de la placa que aparece en los extremos del dieléctrico. Por lo tanto, cuanto mayor sea la permitividad del material, mayor será el grado de polarización y menor será la intensidad del campo eléctrico en esa región.

Para verificar la explicación anterior, aumente el valor de la permitividad en la ecuación del campo eléctrico manteniendo todo lo demás fijo. Este aumento conduciría a una disminución en la intensidad del campo eléctrico en esa ubicación en particular.