《光的电磁理论》PPT课件.ppt

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1、光的电磁波性质平面电磁波第一章光的电磁理论预备知识:1、普通物理：电磁学2、工程数学：矢量运算、场论基础麦克斯韦(Maxwell)在法拉第(Faraday)、安培(Anper)等人研究电磁场工作的基础上：于1873年总结出了一组描述电磁场变化规律的方程组，从而建立了经典电磁理论。麦克斯韦方程组的来源：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遍情况得到。Maxwell方程两种等效的表达形式：积分形式适用于解释物理现象；微分形式适用于理论推导。1.1光的电磁波性质一、麦克斯韦方程组一）积分形式的Maxwell方程1、静电场和

2、稳恒电流的磁场：静电荷产生的静电场和稳恒电流产生的稳恒磁场。D:电感应强度(电位移矢量)B:磁感应强度E:电场强度H:磁场强度1）E高斯(Gauss)定理的数学表示：通过任意封闭曲面的电感通量等于曲面内所包含自由电荷的代数和(1-1)。2）B高斯定律：通过任意封闭曲面的磁感通量为零，说明穿入与穿出任一封闭曲面的磁通量永远相等，即磁场没有起止点，磁力线是闭合曲线(1-2)。3）E安培环路定律：沿任意闭合路径l移动试验电荷所做的功等于零。（路径无关1-3）4）H安培环路定律：沿任意闭合回路l的磁场强度的线积分等于所包围的传导电流的代数和(1-4)。高

3、斯定理——电和磁2、交变电磁场：A）交变的磁场产生涡旋电场；法拉第(Farady)电磁感应定律：变化电场中，沿任一封闭路径的感应电动势e等于路径所包面积上的磁感通量的变化率，感应电动势：单位正电荷沿闭合回路移动一周时涡旋电场所作的功，法拉第电磁感应定律随时间变化的磁场会产生感生电流B）变化的电场也能够产生磁场：传导电流意味着电荷的流动，而位移电流却意味着电场的变化，但是两者在产生磁场方面是等效的．电场中任一截面的位移电流强度等于通过该截面的电通量的时间变化率。安培环流定则随时间变化的电场会产生涡旋磁场交变电磁场的普遍规律：（１.1）这四个方程通常称

4、为积分形式的麦克斯韦方程组。二)微分形式的Maxwell方程1、矢量运算与场论基础：矢量运算：点积（内积）：叉积（外积）：baabcosbaaxb梯度：标量场f(x,y,z)在某点M(x,y,,z)的梯度是一个矢量，它以f(x,y,z)在该点的偏导数，为其在“x,y,z”座标轴上的投影，记作：微分算符(也称为哈密顿算符)，定义为：散度：矢量函数(M)在座标铀上的投影为P、Q、R，它的散度是一个标量函数，定义为微分算符与矢量F的数量积,记作：旋度:矢量函数(M)在座标轴上的投影为P、Q、R，它的旋度是一个矢量函数，定义为微分算符与矢量F的矢量积

5、，即:矢量分析基本公式:矢量积分定理：高斯定理:是空间区域上三重积分与其边界上曲面积分之间关系的定理。斯托克斯：定理是关于曲面积分与其边界曲线积分之间关系的定理。2、微分形式Maxwell方程对方程组的第一式，如果闭合曲面积分域内包含的电荷是连续分布的：方程组第四式：*微分形式的Maxwell方程：(1.2)二、物质方程：1、一般特性：、:电磁场基本物理量，代表介质中总的宏观电磁场；、：与介质特性相关的辅助场量；式中：、、σ分别称为介电系数(或电容率)，磁导率和电导率。线性光学：、与光强无关；在透明、无损介质中=0；非铁磁性材料：r=12

6、、非线性：光强很强：非线性光学(1.3~1.5)*物质方程三、电磁场的波动性*波动方程：两个结论：第一，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，电场的方向由左手定则决定；第二，任何随时间变化的电场在周围空间产生磁场，磁场是祸旋的，磁场的方向出右手定则决定。电场和磁场相互激发形成电磁场从Maxwell方程到波动方程，证明电磁场的波动性在无限大均匀介质中，＝常数，＝常数，并且不存在自由电荷和传导电流(ρ＝0，j＝0)。第三式的旋度代入四式，同样：电场和磁场以波动形式在空间传播，传播速度为v；解的形式取决于边界条件。电磁波在传播介质

7、中的绝对折射率—介质光速/真空光速：式中r，r分别为相对介电系数和相对磁导率。除了铁磁物质之外，对于大多数物质，r=l，因而上式变为四、电磁波无线电、光、射线本质一样，只是波长不同。可见光：390nm~780nm1889年，赫兹在实验中得到了波长为60厘米的电磁波，观察了电磁被在金属镜面上的反射，折射，以及干涉现象。赫兹的实验不仅以无可质疑的事实证实了电磁波的存在，而且也证明了电磁波具有光波的性质。根据真空中的介电常数和磁导率得出真空中的光速：2.99794x108m/s实验结果计算出电磁波在真空中的速度为:3.1074x108m／s，测量的光

8、速为：3.14858x108m／s。1.2平面电磁波一、波动方程的平面波解假设平面波沿直角座标系x、y、z的