光的电磁理论

光的电磁理论是关于光的本质的现代理论，由麦克斯韦在20世纪60年代提出。把光想象成有一定频率的电磁波。能解释光的传播、干涉、衍射、散射、偏振和其他现象，以及光和物质的相互作用定律。

光的电磁理论是光本质上是电磁波的理论。但因为光也是微粒，所以不能解释光电效应、康普顿效应等物理现象。 www.qwbaike.cn

光的电磁理论是由j.C.麦克斯韦提出的。经过多年的努力，他于1864年发表了一个相对完整的理论。在麦克斯韦之前，科学家已经意识到光是一种横波。为了说明这种剪切波.J.一些科学家，比如菲涅耳，设想光波是在一种特殊的介质以太中传播的波，但是他们遇到了不可克服的困难（见以太论）随着光学的发展，电磁学有了很大的进步。麦克斯韦引入位移电流，建立电磁场方程（通常称为麦克斯韦方程组）从这组方程组出发，麦克斯韦从理论上推导出电磁波的存在，电磁波的速度与光速相同。因此，光波被认为是电磁波。

到1888年H.R.赫兹证实了电磁波的存在，并测量了电磁波的速度。然后他证实了电磁波和光波一样是衍射的、折射、偏振等性质，最终建立了光的电磁理论。

从电磁场方程出发，阐述了光的电磁理论。在写电磁场方程时，将采用高斯系统，因为它更容易解释人 的认知过程。当介质中没有自由电荷和电流时，方程如下с是电荷的电磁单位与静电单位之比。在各向同性介质中，电场强度E与电位移矢量d之间存在关系：其中ε $是介电常数。磁场强度H和磁感应强度b有关系：式中μ为磁导率。

由式(1)～(6)可以导出式(7)与(8)是典型的波动方程。他们说明电磁场是以波的形式传播的，波速在真空中，所以电磁波速度是с。在1856年，w.E.韦伯与R.H.A.Kohlrausch曾经确定с的值大约等于米/秒。1862年J.B.L.福柯测得光速等于100米/秒。这两个值非常接近。由于电磁波在真空中也能传播，如果把光看成电磁波，那就根本不需要引入以太的假设。这解决了菲涅耳等人未能解决的问题。电磁波在介质中传播时的速度公式(9)决定。由光学可知，介质中的光速是真空中的光速除以折射率n。于是由式(9)得出光在介质中的折射率在非磁性介质中的结论这时就可以将实验n与数值进行比较，从而判断理论的正确性。下表给出了一些数值：这些数值的重合证明了光的电磁理论的正确性。但在其他情况下，n和有很大的区别。这并不意味着电磁理论是不正确的。在这种情况下，需要考虑构成介质的原子或分子的结构，以及电磁波与原子或分子的相互作用（见光的色散） www.qwbaike.cn

电磁波中有电场分量和磁场分量，不独立传播。由于电磁场方程(1)2)3)4)说明e和h是相互关联的。如果E是平面波，其传播方向可以用单位矢量n表示，那么H也是沿n方向传播的平面波，与E波相位相同。事实上，E、H和n之间有如下关系，这个公式表明E和H相互垂直，并且垂直于传播方向n。这说明电磁波和光波也是横波。 www.qwbaike.cn
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下图是平面单色电磁波在某一时刻的E和H的关系。图中传播方向取X方向，E取Y方向，H取Z方向。该曲线给出了不同x值下的e和h。可以看出E和H是一样的，都服从公式(11)所表示的关系。

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因为电磁波具有相互垂直的电场和磁场强度，所以产生了光学中所谓的光振动矢量在电磁理论中对应什么的问题。严格来说，根据电磁学理论，光波的完整描述需要电场和磁场的强度。但是两者之间有一定的关系给定的电场强度同时决定了磁场强度。另一方面，在研究光波与物质的相互作用时，涉及到电磁场和带电粒子（电子、原子核）的相互作用。 www.qwbaike.cn
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一般来说，磁场强度的作用比电场强度的作用小一个因子，这里υ是带电粒子的速度，往往比光速с小很多。所以，现代人认为电场强度矢量一般应该对应光振动矢量。 www.qwbaike.cn

光的能量密度在波动理论中，人们认为光的能量密度与光振动矢量的平方成正比。现在光是电磁波，光的能量密度就是电磁场的能量密度。根据电磁场理论，电磁场的能量密度公式为(11)可以看出，ω与E的二次幂成正比，这与光学中把能量密度看成与光振动矢量成正比是一致的。

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根据光的电磁理论，光的能流密度矢量可以用坡印亭矢量来表示，即这个公式表明光强与电矢量的二次幂成正比。

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