第十一章 光的电磁理论基础

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1、工程光学—物理光学部分仪器科学与光电工程学院课程背景介绍人类对光的认识与研究分为两个方面：以光线为基本概念，研究光在不同介质中的传播规律和传播现象称为几何光学；以研究光的本质为出发点，以此来研究各种光学现象，称为物理光学；区别与联系：几何光学是物理光学在光波波长接近零的一种近似，是光学现象的宏观表现。惠更斯《论光》尝试解释光的波动理论；1879年：迈克耳逊对光速进行测量。20世纪60年代中叶：激光发明后，作为一种具有无与伦比的性能的全新技术，在测量领域广泛应用。1969年阿波罗11号用调Q红宝石激光脉冲聚焦反射棱镜阵列

2、上，5台望远镜3台命中目标，返回10个光子，384000Km，误差30CM。19世纪60年代，Maxwell建立经典电磁理论，从而导致了电磁波的发现。同时，他把光学现象和电磁现象联系起来，指出光也是一种电磁波，从而产生光的电磁理论，并被后来的实验所证实。描述电磁场的物理量有：电场强度E、电位移矢量D、磁感应强度矢量B、磁场强度H。当电磁波在空间传播时，这些物理量的取值，既与时间有关，也与空间有关，它们都是空间的点函数。第十一章光的电磁理论§10-1光的电磁性质一、电磁场的波动性（一）麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是麦克斯

3、韦把稳定电磁场（静电场和稳恒电流的磁场）的基本规律推广到不稳定电磁场的普通理论总结。其微分形式为：D表示电感强度（电位移矢量），ρ为封闭曲面内的电荷密度。电位移的散度等于该点处自由电荷的体密度。第一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。B表示磁感强度。磁感强度的散度处处为零。第二式为磁通连续定律，即穿过一个闭合面的磁通量等于零，表明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。E表示电场强度，B表示磁感强度。电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的负

4、值。第三式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。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。磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移电流密度的矢量和。第四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。为闭合回路上的传导电流密度为位移电流密度H表

5、示磁场强度（二）物质方程麦克斯韦方程组可用来描述电磁场的变化规律，但在处理实际问题时，电磁场总是在媒质中传播的，媒质的性质对电磁场的传播会带来影响。描述物质在场作用下特性的关系式称为物质方程。静止的、各向同性的介质中的物质方程存在以下关系：在各向同性均匀介质中，ε、μ是常数，σ=0。在真空中σ是电导率ε是介电常数（或电容率）μ是磁导率对于非磁性物质，物质方程给出了媒质的电学和磁学性质，它们是光与物质相互作用时媒质中大量分子平均作用的结果。麦克斯韦方程组和物质方程组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

6、。（三）电磁场的波动性1、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。2、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。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，介电常数(电容率）ε、磁导率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，=0因此麦克斯韦

7、方程组可简化为：取上式的旋度，并将代入，得根据矢量分析基本公式同理可得上述两式具有一般的波动微分方程的形式，表明E和H随时间和空间的变化是遵循波动的规律的，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。称为波动微分方程，表明电场和磁场以波动形式在空间传播。当电磁波在真空中传播时，其传播速度为电磁波在真空中的传播速度为这一数值与实验测定的光在真空中的传播速度一致，说明光波是电磁波。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。在介质中，引入相对介电常数和相对磁导

8、率得电磁波的速度称电磁波在真空中的速度与介质中速度的比值为介质对电磁波的折射率：3800Å紫7600Å红380——450——500——550——600——650——760nm紫蓝绿黄橙红可见光,即能引起人的视觉的电磁波。它的频率在3.8×1014～7.6×1014Hz之间,相应真空中的波长在7600Å～3800Å之间。不同频率的光