文档介绍：光波--- 电磁波--- 光波场描述--- 反射、折射--- 吸收、色散 1 前言§1 麦克斯韦电磁场理论与电磁波§2典型光波—平面电磁波、球面波、柱面波§3辐射能与电偶极子辐射电磁波§4光在两电介质分界面上的反射和折射§5光在金属表面的反射和透射§6光的吸收、色散、散射 2前言?十九世纪中叶, 麦克斯韦( Maxwell )在电磁学理论研究基础上, 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。从而产生了光的电磁理论。 3第一节麦克斯韦电磁场理论与电磁波一、麦克斯韦方程组麦克斯韦总结推广了恒定电磁场和似稳电磁场的基本规律,提出了时变场情况下电磁场的传播规律,归结为一组麦克斯韦方程组: ??? ? D0 ?? ? B t ??? ??? BEt ??? ??? D H j ( 1-1 ) ( 1-2 ) ( 1-4 ) ( 1-3 ) 其中 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:封闭曲面内的电荷密度, j:积分闭合回路上的传导电流密度, :位移电流密度。 t ?? D 4 方程( 1-1 ): 电场的高斯定律:电场可以是有源场;电力线必须从正电荷出发终止于负电荷。方程( 1-2 ):磁通连续定律:磁场是无源场;通过闭合面的磁通量等于零,磁力线是闭合的。方程( 1-3 ):法拉第电磁感应定律:变化磁场产生感应电场(涡旋场),其电力线是闭合的。方程( 1-4 ):安培全电流定律:传导电流和位移电流都对磁场的产生有贡献。麦克斯韦方程揭示了电场、磁场的性质及电、磁场之间的联系: 5 二、物质方程电磁场总是在介质中传播的,在用麦克斯韦方程组处理光的传播特性时,必须考虑介质的属性,以及介质对电磁场的影响。描写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( 物质每一点的物理性质不随方向改变)媒质中的物质方程有如下简单关系: ?= D E ?= B H ?? j E ( 1-5 ) ( 1-6 ) ( 1-7 ) 式中, σ是电导率; ε和μ是两个标量,分别称为介电常数和磁导率。在各向同性均匀介质中, ε、μ是常数, σ=0 。在真空中,。对于非磁性物质, μ=1 。 12 2 02 10 C /N m ? ??? ? ?? 7 2 2 0 4 10 N s C ? ???? ??? 6 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。麦克斯韦方程组物质方程描述时变场情况下电磁场普遍规律 7 三、电磁场的波动性由麦克斯韦方程组知,随时间变化的电场产生涡旋的磁场,随时间变化的磁场产生涡旋的电场,它们互相激发,交替产生,在空间形成统一的场——电磁场, 电磁场由近及远地传播,就形成电磁波。 8 由麦克斯韦方程组证明电磁场传播的波动性假设介质均匀、透明、无限大且远离辐射源,即ε、μ为常数,σ=0 ,麦克斯韦方程组简化为: 0, 0 ?? ? j 0 ?? ? E0 ?? ? B t ?????? BEt ??????? EB( 1-10 ) ( 1-9 )( 1-11 ) ( 1-8 ) 分别对式(1-10) 、(1-11) 取旋度,由场论公式,利用式( 1-8 )、( 1-9 )则 E、B的方程化为 2 220t ???? ? ?? EE( 1-13 ) ( 1-12 ) ???? 2 ??????????? E E E 2 220t ???? ? ?? BB 9 式( 1-12 )和( 1-13 )是典型微分形式的波动方程,其解是各种形式的电磁波,且该方程代表的波传播速度为,且 E、B的方程形式相同,所以 E、B遵循相同的规律。由此表明: ▲B、 E 随时间和空间的变化是遵循波动的形式▲电磁波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可知真空中波动速度为与实验测定真空中光速一致 1 ? ???1 ? ??? 8 0 0 1 10 / c m s ? ?? ?? 10