《光的电磁理论基础》PPT课件

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1、第九章光的电磁理论基础19世纪60年代，麦克斯韦(Maxwell)在电磁学理论的研究基础上，从理论上推得电磁波的传播速度等于光速，这使得麦克斯韦推测：光的传播是一种电磁现象，是电磁振动在空间的传播。20年后赫兹(Hertz)第一次在实验上证实了光波就是电磁波，从而肯定了麦克斯韦的预言，产生了光的电磁理论。光的电磁理论的确立，推动了光学及整个物理学的发展。现代光学尽管产生了许多新的领域，并且许多光学现象需要用量子理论来解释，但是光的电磁理论仍然是阐明大多数光学现象以及掌握现代光学的一个重要基础。本章内容●光的电磁性质●光在电介质分界面

2、上的反射和折射●光的吸收、色散和散射●光波的叠加●光波的傅里叶分析1、麦克斯韦方程组（9-1）（9-2）（9-3）（9-4）D——电感强度(电位移矢量)；E——电场强度；B——磁感强度；H——磁场强度；ρ——表示封闭曲面内的电荷密度；j——表示积分闭合回路上的传导电流密度；——为位移电流密度；概括了静电场和似稳电流磁场的性质和时变场情况下电场和磁场之间的联系。▽哈密尔顿算子第一节光的电磁性质一、电磁场的波动性D——电感强度(电位移矢量)；E——电场强度；B——磁感强度；H——磁场强度；ρ——表示封闭曲面内的电荷密度；j——表示积分闭

3、合回路上的传导电流密度；——为位移电流密度；此式为电场的高斯定理，表示电场可以是有源场，此时电力线发自正电荷，终止于负电荷此式为磁通连续定律，即穿过一个闭合面的磁通量等于零，表示穿入和穿出任一闭合面的磁力线的数目相等，磁场是个无源场，磁力线永远是闭合的此式为为法拉第电磁感应定律，表示变化的磁场会产生感应的电场，这是一个涡旋场，其电力线是闭合的，不同于闭合面内有电荷时的情况。麦克斯韦指出，只要所限定面积中磁通量发生变化，不管有否导体存在，必定伴随变化的电场此式为安培全电流定律，表示在交变电磁场的情况下，磁场既包括传导电流产生的磁场，也

4、包括位移电流产生的磁场。传导电流意味电荷的流动，位移电流意味电场的变化，两者在产生磁效应方面是等效的。位移电流的引入，进一步揭示了电场和磁场之间的紧密联系。divergnce散度rot旋度梯度，gradient▲物质方程电磁场是在介质中传播，介质性质对电磁场传播会带来影响.描述物质在场作用下特性的关系式称为物质方程。静止的、各向同性(每一点的物理性质不随方向改变)介质中的物质方程为在各向同性均匀介质中，ε、μ是常数，σ=0。（9-5）（9-6）（9-7）σ电导率ε介电常数(或电容率)μ磁导率在真空中，（法/米）对于非磁性物质（法/米

5、）物质方程给出了介质的电学和磁学性质，用介电常数和磁导率表示光与物质相互作用时介质中大量分子平均作用。麦克斯韦方程组与物质方程一起构成一组完整的方程组，用于描述时变场情况下电磁场的普遍规律。在电磁场的边值条件下，用于处理具体的光学问题。2、电磁场的波动性▲任何随时间变化的磁场在周围空间产生电场，这种电场具有涡旋性。▲任何随时间变化的电场（位移电流）在周围空间产生磁场，磁场是涡旋的。▲电场和磁场紧密相联，其中一个起变化时，随即出现另一个，它们相互激发形成统一的场——电磁场。▲交变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播，就形成了电磁波。

6、从麦克斯韦方程组出发，可证明电磁场传播具有波动性。为简单，讨论在无限大各向同性均匀介质的情况，此时，ε、μ是常数，电导率σ=0。若电磁场远离辐射源，则封闭曲面内的电荷密度=0，积分闭合回路上的传导电流密度j=0，麦克斯韦方程简化为：（9-8）（9-9）（9-10）（9-11）ε、μ为常数σ=0ρ=0j=0由麦克斯韦方程组可以导得【7】E、B满足的波动微分方程为其中（9-12）（9-13）（9-14）可见，E、B随时间和空间的变化是遵循波动规律，电磁场以波动形式在空间传播，电磁波的传播速度与介质的电学和磁学性质有关。（9-15）▲真

7、空中电磁波速——电磁波在真空中的传播速度为引入相对介电常数相对磁导率（9-16）▲介质对电磁波的折射率n——电磁波在真空中的速度c与介质中速度v的比值，即（9-17）除了磁性物质，大多数物质的μr≈1，因而有n=(εr)0.5的关系，这一关系对于化学结构简单的气体，符合的很好，但对于许多液体和固体，两者相差很大。这是由于(μr)0.5的值（因而折射率）实际上与入射电磁波的频率有关，存在色散现象（参见本章第三节）。麦克斯韦通过理论计算后预言：交变的电场和磁场产生电磁波，光波就是电磁波。赫兹在麦克斯韦预言后20年从实验上确证了电磁波的存

8、在，并证明电磁波具有与光波相同的反射、折射、相干、衍射和偏振特性，它的传播速度等于光速。这以后，光的电磁理论真正为人们所接受。整个的电磁波谱如表9-1所示。通常所称的光学波谱包括紫外光波、可见光波和红外光波。人眼可以感觉到各种颜色的可