电磁波与光波
电磁波谱
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概念
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可见光(visible light):λ=4000A−7000A
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红外线(infrared):λ=0.7μm−1mm
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微波(microwave):λ=1mm−1m
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无线电波(radio waves):λ>1m
- 中波(MW):λ=3km−50m
- 短波(SW):λ=50m−10m
- 超短波(extra-SW):λ<1m
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紫外线(ultraviolet):λ=1nm−400nm
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X-rays:λ=0.01−10nm
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gamma rays:λ<10pm
电磁波的产生与发射
我们可以从麦克斯韦方程组推导出电磁波的性质
积分形式:
∬E⋅dA=ϵ0q0
∬B⋅dA=0
∮E⋅dl=−∬∂t∂B⋅dA
∮H⋅dl=i0+∬∂t∂D⋅dA
微分形式(自由空间:ρ0=0,J0=0):
∇⋅E=0
∇⋅B=−∂t∂B=−κmμ0∂t∂H
∇×H=0
∇×H=κeϵ0∂t∂E
分量形式(把上式中的∇展开,得到如下式子):
∂x∂Ex+∂y∂Ey+∂z∂Ez=0
i∂x∂Exj∂y∂Eyk∂z∂Ez=−κmμ0(∂t∂Hxi+∂t∂Hyj+∂t∂Hzk)
∂x∂Hx+∂y∂Hy+∂z∂Hz=0
i∂x∂Hxj∂y∂Hyk∂z∂Hz=−κmμ0(∂t∂Exi+∂t∂Eyj+∂t∂Ezk)
平面波
首先假设单一波源,在很远的自由空间中,在球面上取一弧面,可以近似为平面波;以其传播方向为z轴,电场和磁场分别为x和y轴.
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然后将上边的式子展开,可以得到以下八个方程
∂x∂Ex+∂y∂Ey+∂z∂Ez=0(1)
∂y∂Ez−∂z∂Ey=−κmμ0∂t∂Hx(2-1)
∂z∂Ex−∂x∂Ez=−κmμ0∂t∂Hy(2-2)
∂x∂Ey−∂y∂Ex=−κmμ0∂t∂Hz(2-3)
∂x∂Hx+∂y∂Hy+∂z∂Hz=0(3)
∂y∂Hz−∂z∂Hy=κeϵ0∂t∂Ex(4-1)
∂z∂Hx−∂x∂Hz=κeϵ0∂t∂Ey(4-2)
∂x∂Hy−∂y∂Hx=κeϵ0∂t∂Ez(4-3)
横波
首先,横波在x和y方向的电场强度和磁场强度都是一样的,不会发生变化,所以
∂x∂Ex=∂y∂Ey=∂x∂Hx=∂y∂Hy=0
则由(1)式,我们有
∂x∂Ex=0
由(2−3)式,有
∂t∂Hz=0
同样地,由(3)式可得
∂z∂Hz=0
由(4−3),有
∂t∂Ez=0
所以电场和磁场在z轴的分量与时间和z轴都无关,可以设为constant
E⊥k,H⊥k
电场垂直磁场
运用Ez=Hz=0,我们 有
(2−1)式
∂z∂Ey=κmμ0∂t∂Hx(2-1)
(2−2′)式
∂z∂Ex=−κmμ0∂t∂Hy(2-2’)
(4−1′)式
∂z∂Hy=−κeϵ0∂t∂Ex(4-1’)
(4−2)式
∂z∂Hx=κeϵ0∂t∂Ey
上边四个式子只包含Ey,Ex,Hy,HX,说明电场,磁场只在x,y方向有分量.
由于x,y的方向是任意的,那么我们取x的方向为电场方向,就有
∂z∂Hx=0=∂t∂Hx
所以磁场强度方向与电场强度方向垂直,我们就证明了E⊥H
!!! note
其实就是把Ey=0带入(2−1)和(4−2),就得到的上边的结论.
波动方程
麦克斯韦:原来光就是电磁波
对(2−2′)式同时对t求偏导
∂z2∂2Ex=−κmμ0∂t∂∂z∂Hy=κmμ0Keϵ0∂t2∂2Ex
同理对(4−1′)操作,得到如下方程
∂z2∂2Ex−κeμ0Kmϵ0∂t2∂2Ex=0
∂z2∂2Hy−κeμ0Kmϵ0∂t2∂2Hy=0
猜根,有:
{Ex=Ex0ei(ωt−kz)Hy=Hy0ei(ωt−kz)
ω=T2π是角频率,k=λ2π是波矢,也叫波数
带回方程,得到
k2=κeϵ0κmμ0ω2⇒k=ωκeϵ0κmμ0
又因为
v=kω=κeϵ0κmμ01
!!! note
而真空中,磁导率κm和介电常数κe都为1,所以代入计算得到v=c=3.0×108m/s,我们就计算出了光速
我们定义$\sqrt{\kappa_e\kappa_m} = n$,就是折射率,所以可以推导出光学中的
$$
v= \frac{c}{n} \notag
$$
电场和磁场
由(2−2′)式,将我们猜根得到的Ex,Hy代入,得到如下式子
−ikEx0ei(ωt−kx)kEx0Ex0κeϵ0Ex0κeϵ0Ex0eiϕE=−κmμ0iωHy0ei(ωt−kx)=κmμ0ωHy0=κmμ0kωHy0=κmμ0vHy0=κmμ0κeϵ0κmμ01Hy0=κmμ0Hy0=κmμ0Hy0eiϕH
通过上式我们可得以下两个方程
{κeϵ0E0=κmμ0H0(振幅相等)ϕE=ϕH(相位相同)
真空中,κe=κm=1
所以
ϵ0E0=μ0H0⇒E0=ϵ0μ0μ0H0=cB0(c为光速)
!!! note “电场强度与磁感应强度”
我们发现E0=cB0,电场强度和磁感应强度之间只差了一个常数
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电磁波的能流密度和动量
单位体积内电磁波的能量包括电场和磁场两部分
- 电场能量:UE=21ϵ0E2
- 磁场能量:UB=21μ0B2
则单位体积内电磁波的能量:
U=∭(21ϵ0E2+21μ0B2)dv
更一般的,我们知道D=κeϵ0E,B=κmμ0H,那么
U=UE+UBdtdU=∭(21D⋅E+21B⋅H)dv=dtd∭(21D⋅E+21B⋅H)dv=21∭∂t∂(D⋅E+B⋅H)dv
对积分内部展开:
∂t∂(D⋅E+B⋅H)=κeϵ0∂t∂(E⋅E)+κmμ0∂t∂(H⋅H)=2κeϵ0E⋅∂t∂E+2κmμ0H⋅∂t∂H=2E⋅∂t∂D+2H⋅∂t∂B
在麦克斯韦方程中:
∂t∂D=∇×H−J0
∂t∂B=−∇×E
代入上式可得:
=2E⋅(∇×H−J0)−2H⋅(∇×E)=2[E⋅(∇×H)−H⋅(∇×E)−J0⋅E]=−2∇⋅(E×H)−2J0⋅E
最后运用高斯定理化简:
dtdU=−∭∇⋅(E×H)dv−∭(J0⋅E)dv=−∬(E×H)⋅dA−∭(J0⋅E)dv
我们现在关注第二项到底是什么意思
在欧姆定律中,我们有以下公式,E为电场,K为非静电力
J0=σ(E+K)⇒E=σ1J0−K=ρJ0−K
把这个积分放到均匀的圆筒里边,那么我们对v积分其实就是乘以ΔA⋅Δl,从而进行如下变换
∭(J0⋅E)dv=(J0⋅E)ΔA⋅Δl=J0⋅(ρJ0−K)ΔA⋅Δl=ρJ02ΔA−J0⋅KΔA⋅Δl=ρΔAΔl(J0ΔA)2−(J0ΔA)(K⋅Δl)=Ri02−I0Δϵ(Δϵ是电动势)=Q−P
所以我们记S=E×H,为Poynting Vertor(玻印廷矢量),那么
dtdU=−∬S⋅dA−Q+P
!!! note “理解上式”
dtdU是单位时间内电场能量与磁场能量之和的变化;
−∬S⋅dA是通过表面向外辐射的能量;
Q是产生的热量
Poynting Vertor
定义单位时间,单位面积内的能量流动
S=E×H=μ0E×B=μ0cE2
定义Z0=μ0c=377Ω
从而S=377ΩE2
!!! tip “电磁波的强度”
电磁波的强度I实际上就是S的平均值
$$
I = \langle S\rangle = \frac{\langle E^2\rangle}{Z_0} = \frac{E_{max}^2}{377\Omega}\langle sin^2(kz-wt)\rangle = \frac{1}{2}\frac{E_{max}^2}{377\Omega}
$$
!!! note “电场能量密度和磁场能量密度的关系”
由于μE=21ϵ0E2,μB=21μ0B2
而$B = \frac{E}{c}$,那么$\mu_B = \frac{1}{2}\frac{E^2}{C^2\mu_0} = \frac{1}{2}\epsilon_0E^2 = \mu_E$
所以二者能量各占一半
电磁波的能量密度可以表示为:$\mu = \mu_E + \mu_B = \epsilon_0E^2$
!!! note “电磁波的强度”
I=c⟨μ⟩=cϵ0⟨E2⟩=cϵ02Emax2=21μ0cEmax2=2⋅377ΩEmax2=377ΩErms2
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电路中的能量传输
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如上图所示电路,考虑与电源正极相连的导线,导线内部存在一个电场,那么由于∮E⋅dl=−dtdΦB=0,导体外部一定存在一个方向相同的电场.
再加上一个垂直导线的电场,根据S=E×H,我们可以得到能量流动的方向,一方面流向电阻,另一方面被导线消耗.
与电源负极相连的导线也是类似的
电磁波的动量
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假设一个有一个力 ΔF,这个力会让电荷做功,即ΔW=ΔF⋅Δl;而这部分功就是这个物体吸收的净能量;
ΔF⋅cΔt=(Sin−Sout)⋅ΔAΔt
故
ΔF=c1(Sin−Sout)⋅ΔA
矢量减
光压
单位面积上的力
P=c1(Sin−Sout)
动量密度
单位体积内的动量
Δg=ΔAcΔtF⋅Δt=cΔAF=c21(Sin−Sout)
!!! note “动量密度”
gin=c21Sin为入射光的动量密度,gout=c21Sout为反射光的动量密度
!!! tip “光压”
对于白体,Sin=Sout,故gin=gout
$$
P = \frac{2}{c}\vec{S_{in}} \notag
$$
对于黑体,$S_{out} = 0$,故$g_{in} = \frac{1}{c^2}\vec{S_{in}}$
$$
P = \frac{1}{c}\vec{S_{in}}\notag
$$