天津大学：《工程光学》课程PPT教学课件（几何光学、物理光学）第十章 光的电磁理论基础（10.1）光的电磁性质

第十章光的电磁理论基础 光的本质 ·光的电磁理论的建立(19世纪中叶) 天津大学精仪学院 麦克斯韦( Maxwel) 赫兹(Hetz) 光在电磁波中的位置 天津大学作 24

第十章 光的电磁理论基础 • 光的本质 • 光的电磁理论的建立（19世纪中叶） – 麦克斯韦（Maxwell） – 赫兹（Hertz） • 光在电磁波中的位置

The electromagnetic spectrum short Wave length Gamma X- Ultra v Infra Micro Radio 天津大学精仪学院 rays rays violet re d wavesI-waves 380nm violet-blue 780nm deep-red 天津大学作 24

The electromagnetic spectrum long Wave length 380nm violet-blue 780nm deep-red Gamma Rays X- Rays Ultra violet V Micro -waves Radio -waves Infra -red short

第一节光的电磁性质 麦克斯韦方程组( Maxwell’ s equation) 1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律 天 电场强度(E):电场中某点在数量和方向上等于单 津 位正电荷在该点所受的电场力。单位N/c或V/m 大 学 电感强度(D):辅助物理量,D=￡+P。单位c/m?2。 精 仪 学磁感强度(B):单位T,11=1N.s/c.m。速度为1m/s电 院 量为1c的电荷受到的磁力为1N时的磁感应强度。 天大岁频磁场强度(H):辅助物理量,H=B/-M。单位 A/m。 24

第一节 光的电磁性质 一、麦克斯韦方程组 （Maxwell’s equation） 1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律 电场强度（E）：电场中某点在数量和方向上等于单 位正电荷在该点所受的电场力。单位N/c或V/m。 电感强度（D）：辅助物理量,D＝E +P 。单位c/m2 。 磁感强度（B）：单位T，1T=1N․s/c․m。速度为1m/s电 量为1c的电荷受到的磁力为1N时的磁感应强度。 磁场强度（H）：辅助物理量，H＝B/ -M 。单位 A/m

静电场和稳恒电流磁场的基本规律 高斯定理:sD·ds=Q 天津大学精仪学院 乐sB·ds=0 安培定则:1E●d=0 H·Ⅶ=D电感强度 B:磁感强度 E:电场强度 天津大学作 H:磁场强度 24

高斯定理： 安培定则：     • = • = • = • = l l S S d I d d d Q H l E l B s D s 0 0 ：磁场强度 ：电场强度 B: 磁感强度 D: 电感强度 H E 静电场和稳恒电流磁场的基本规律

2、麦克斯韦方程组的积分形式 fsD·d=Q B●ds=0 D:电感强度 S E:电场强度 天津大学精仪学院 f,E●_c aB =-·dsB:磁感强度 H:磁场强度 aD ,Hdl=I+∫-·d b:磁通量 天后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。 24

2、麦克斯韦方程组的积分形式 s D H l s B E l B s D s d t d I d dt t d d d d Q l l S S •   • = + •   = −  • = − • = • =       0 ：磁通量 ：磁场强度 ：磁感强度 ：电场强度 ：电感强度  H B E D 后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用

3、麦克斯韦方程组的微分形式 微分形式: D=p V●B=0 (10-2) 天津大学精仪学院 aB V×E (10-3) 揭示了电流、电场、磁 aD V×H=j+ 场相互激励的性质 (10-4) p:封闭曲面内的电荷密度; :积分闭合回路上的传导电流密度; 天津大学作 aD :位移电流密度 24

3、麦克斯韦方程组的微分形式 微分形式： （10－1） （10－2） （10－3） （10－4）  揭示了电流、电场、磁 场相互激励的性质 ：位移电流密度。 ：积分闭合回路上的传 导电流密度； ：封闭曲面内的电荷密 度； t D j  t t    = +    = −  • =  • = D H j B E B D 0 

、物质方程 (描述物质在场作用下特性的方程) j=OE :电导率; d=cE E:介电常数; B=uH μ:磁导率 天津大学精仪学院 在真空中 =0, E=E88542×102C2/N·m2(库2/牛·米2) H=μ=4兀×10N·S2/C2(牛·秒2/库2) 天津大学作 24

二、物质方程 （描述物质在场作用下特性的方程） B H D E j E    = = = ：磁导率。 ：介电常数； ：电导率；    ＝ ＝ （牛 秒 库 ） ＝ ＝ （库 牛 米 ） ＝ ， 在真空中： － － 7 2 2 2 2 0 1 2 2 2 2 2 0 4 10 / / 8.8542 10 / / 0  • •  • • N S C C N m      

、电磁场的波动性(波动方程) 对于电磁场远离辐射源:p=0,j=0 V●E=0V●B=0 点积为零,叉积与时间偏导成 正比 天津大学精仪学院 VXE- OB →V×(V×E)—(V×B)=- O-E aE at V×B= V×(V×E)=V(V·E)-VE E 结果:VE-E 0 (10-13) at 天津大学作 a-B 24 VB-EA 2 10-14

三、电磁场的波动性（波动方程） t t     =     = −  • =  • = E B B E E B   0 0 对于电磁场远离辐射源：＝0，j＝0 点积为零，叉积与时间偏导成 正比 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 2 2 2   • =      =   • −       = −        E E E E E E B t t ＝－   0 0 2 2 2 2 2 2 =    − =    − t t B B E E   结果：   (10-13) (10-14)

a-E 结果:V2E-61m2=0 02B B-Ck 0 at 电磁波的传播速度:v=/s 光速:c=1y0A0=29994×10 天津大学精仪学院 引入相对介电常数e,和相对磁导率μ E.=E/8 p/μo 有电磁波的速度:v=c/eH 天津大学作 和电磁波的折射率:n=c/=√E,H 24

0 0 2 2 2 2 2 2 =    − =    − t t B B E E   结果：   c m s v 1 2.99794 10 / 1 8 = 0 0 =  =     光速： 电磁波的传播速度： 0   0      r = r = r r ; 引入相对介电常数 和相对磁导率 r r r r n c v v c     = = = 和电磁波的折射率： 有 电磁波的速度：

四、平面电磁波及其性质 (一)波动方程的平面波解 1、方程求解: 天津大学精仪学院 设光波沿z轴正向传播 V=XO OX +y0-+Z 100 天津大学作 24

四、平面电磁波及其性质 （一）波动方程的平面波解 z  =   +   +    0 0 0 0 z x y z x y z ＝ 1、方程求解： y x z 设光波沿z轴正向传播 v