1、前言前言本课程的结构和内容安排&第一章第一章 电磁波与光波（理论基础）电磁波与光波（理论基础）&第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源&第三章第三章 光波的传输光波的传输&第四章第四章 光波的调制光波的调制&第五章第五章 光波的探测与解调光波的探测与解调出发点：出发点：一个完整的光信息系统包括光载波源，光信号一个完整的光信息系统包括光载波源，光信号的传播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基的传播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。本部分。未来是光通信的世界。未来是光通信的世界。光电子技术第一章第一章 电磁波电磁波与与光波光波第一章 电磁波与光波1.11.1麦克斯韦方程组及其
2、物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义1.1.11.1.1麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式1.1.21.1.2麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式1.1.31.1.3介质方程与边界条件介质方程与边界条件1.21.2平面电磁波的性质平面电磁波的性质1.31.3光的电磁理论与电磁波谱光的电磁理论与电磁波谱麦克斯韦麦克斯韦(英国英国1831183118791879)18651865年他预言了电磁波的存在，并计算了电磁波的传播速度等于光速，年他预言了电磁波的存在，并计算了电磁波的传播速度等于光速，同时得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联同时得出结论：光
3、是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。系。18881888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。麦克斯韦于麦克斯韦于18731873年出版了科学名著年出版了科学名著电磁理论电磁理论，系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。，系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。麦克斯韦主要从事电磁理论、分这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。他建立的电磁他建立的电磁场理论，将电学
4、、磁学、光学统一起来，是场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是1919世纪物理学发展的最光辉的成世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。果，是科学史上最伟大的综合之一。sdtDIldHsdBsdtBldEqsdD0001.11.1麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义1.1.11.1.1麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式库仑（法国库仑（法国1736173618061806）早年就读于美西也尔工程学校。早年就读于美西也尔工程学校。离开学校后，进入离开学校后，进入皇家军事工程队皇家军事工程队当当工程师。法国大革命时期，库仑辞去工程师。法国大革命时期，库
5、仑辞去一切职务，到布卢瓦致力于科学研究。一切职务，到布卢瓦致力于科学研究。法皇执政统治期间，回到巴黎成为新法皇执政统治期间，回到巴黎成为新建的建的研究院成员研究院成员。17851789年年，用钮称测量静电，用钮称测量静电力和磁力，导出著名的力和磁力，导出著名的库仑定律库仑定律。0qsdD 库仑定律库仑定律 真空中两个点电荷作用力的大小与两个点电荷的电量的乘真空中两个点电荷作用力的大小与两个点电荷的电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比；作用力的方向在两积成正比，与它们之间距离的平方成反比；作用力的方向在两个点电荷的连线上，同性电荷相排斥，异性电荷相吸引。个点电荷的连线上，同性电荷相排斥，
6、异性电荷相吸引。的推导的推导)1.1(430rrQQF库库 仑仑 纽纽 称称 实实 验验 细金属丝下悬挂一根秤杆，它细金属丝下悬挂一根秤杆，它的一端有一小球的一端有一小球A A，另一端有平衡，另一端有平衡体体P P，在，在A A旁还置有另一与它一样大旁还置有另一与它一样大小的固定小球小的固定小球B B。为了研究带电体。为了研究带电体之间的作用力，先使之间的作用力，先使A A、B B各带一定各带一定的电荷，这时秤杆会因的电荷，这时秤杆会因A A端受力而端受力而偏转。转动悬丝上端的悬钮，使小偏转。转动悬丝上端的悬钮，使小球回到原来位置。这时悬丝的扭力球回到原来位置。这时悬丝的扭力矩等于施于小球矩等
7、于施于小球A A上电力的力矩。上电力的力矩。如果悬丝的扭力矩与扭转角度之间如果悬丝的扭力矩与扭转角度之间的关系已事先校准、标定，则由旋的关系已事先校准、标定，则由旋钮上指针转过的角度读数和已知的钮上指针转过的角度读数和已知的秤杆长度，可以得知在此距离下秤杆长度，可以得知在此距离下A A、B B之间的作用力。之间的作用力。PAB秤杆秤杆0qsdD 库仑定律库仑定律的推导的推导)1.1(420rrQQFn 电场强度电场强度2.1EQF3.1442020rrQErrQQEQ图示图示rrQQF204EEQF204rrQE的推导的推导 在讲述静电场的高斯定理之前，我们将借助于电场在讲述静电场的高斯定理之
8、前，我们将借助于电场线的概念，引入电通量这个物理量。在电场中任一点处，线的概念，引入电通量这个物理量。在电场中任一点处，取一块面积元取一块面积元S S ，与该点场强，与该点场强E E 的方向相垂直，我的方向相垂直，我们把场强大小们把场强大小E 与面积元与面积元S S之乘积，称为穿过该面积之乘积，称为穿过该面积元元S S的电通量，用的电通量，用e e表示，即表示，即0qsdDSEe的推导的推导0qsdDESSEe垂直和均匀电场中：cosESSEe不垂直和均匀电场中：如果是非匀强电场，并且如果是非匀强电场，并且S也不是平面而是一个也不是平面而是一个任意曲面任意曲面(上图上图(c)，那么，那么 Se
9、dSEcos如果所考虑的是一个如果所考虑的是一个闭合曲面闭合曲面，穿过整个闭合曲面，穿过整个闭合曲面S的电通量为的电通量为 SedSEcosSeSdE的推导的推导0qsdD 电场中的高斯定理电场中的高斯定理：通过任一封闭曲面：通过任一封闭曲面S的电的电通量等于该曲面所包围的所有电荷电量的代数通量等于该曲面所包围的所有电荷电量的代数和除以和除以 。而与曲面外的电荷无关。而与曲面外的电荷无关。)5.1()4.1(1000qSdDqqSdEii0F静电场是有源场静电场是有源场。sdtBldE的获得的获得 静电场中的环路定理静电场中的环路定理：静电场中的场强沿任意静电场中的场强沿任意闭合环路的线积分恒
10、等于零，即闭合环路的线积分恒等于零，即“静电场力作功与路静电场力作功与路径无关径无关”。它是描述静电场规律的另一条重要定理。它是描述静电场规律的另一条重要定理。)6.1(0ldEn 非稳定条件下的环路定理非稳定条件下的环路定理：7.1sdtBldEF表示变化的磁场可感应出涡旋电场表示变化的磁场可感应出涡旋电场 在这电磁感应现象的实在这电磁感应现象的实验中验中,当电键当电键 K 闭合时闭合时,线圈线圈1中要产生感生电流。中要产生感生电流。麦克斯韦提出：麦克斯韦提出：即使不存在导体回路即使不存在导体回路，在变化的磁场周围也存，在变化的磁场周围也存在一个变化的电场，这个电场称为感生电场。在一个变化的
11、电场，这个电场称为感生电场。此感生电动势产生的原因是什么呢？此感生电动势产生的原因是什么呢？K 这种电磁感应现象是由于穿过导体回路的磁场发这种电磁感应现象是由于穿过导体回路的磁场发生变化而引起的。在回路中产生的感应电动势称为感生变化而引起的。在回路中产生的感应电动势称为感生电动势生电动势.涡旋电场假设涡旋电场假设感生电动势的非静电力感生电动势的非静电力:感应电场施于导体中电荷的力。感应电场施于导体中电荷的力。感生电场也会对电荷有作用力。感生电场也会对电荷有作用力。ldEi感ldEi感dtdm在限定导体回路不运动的情况及回路面积不变的情况下，有在限定导体回路不运动的情况及回路面积不变的情况下，有
12、：ldEi感dtdmsSdBdtdsSdtB ldE感sSdtB由此得到方程：由此得到方程：涡旋电场永远和磁感应强度矢量的变化连在一起。涡旋电场永远和磁感应强度矢量的变化连在一起。感生电场的电力线类似于磁力线，是无头无尾的闭合曲线，呈感生电场的电力线类似于磁力线，是无头无尾的闭合曲线，呈涡旋状，所以涡旋状，所以 称之为涡旋电场。称之为涡旋电场。回路中的感生电动势为：回路中的感生电动势为：根据电动势的定义根据电动势的定义：ldEK回路中的感生电动势为：回路中的感生电动势为：由法拉第电磁感应定律：由法拉第电磁感应定律：dtdm0dtdB B感E起源起源由静止电荷激发由静止电荷激发由变化的磁场激发由
13、变化的磁场激发电电力力线线形形状状电力线为非闭合曲线电力线为非闭合曲线电力线为闭合曲线电力线为闭合曲线0dtdB B静电场为无旋场静电场为无旋场感生电场为有旋场感生电场为有旋场感生电场与静电场的区别感生电场与静电场的区别电电场场的的性性质质为保守场作功与路径无关为保守场作功与路径无关为非保守场作功与路径有关为非保守场作功与路径有关0ldEdtdldEmi感0qSdE静电场为有源场静电场为有源场感生电场为无源场感生电场为无源场0SdE感静电场静电场E感生电场感生电场感E感E 静电场力作功与路径无关这一特性，表明静静电场力作功与路径无关这一特性，表明静电场是保守力场，因此，是一种有势场，亦即静电场
14、是保守力场，因此，是一种有势场，亦即静电 场 力 和 重 力 相 类 同 也 是 一 种 保 守 力。电 场 力 和 重 力 相 类 同 也 是 一 种 保 守 力。静电场的高斯定理和环路定理是描述静电场静电场的高斯定理和环路定理是描述静电场规律的两条基本定理。高斯定理指出静电场是有规律的两条基本定理。高斯定理指出静电场是有源的；环路定理指出静电场是有势的，并且是一源的；环路定理指出静电场是有势的，并且是一种保守力场。因此，要完全地描述一个静电场，种保守力场。因此，要完全地描述一个静电场，必须联合运用这两条定理。必须联合运用这两条定理。磁学中的高斯定理磁学中的高斯定理：通过任一封闭曲面：通过任
15、一封闭曲面S的磁通量恒等于零。的磁通量恒等于零。0sdB的获得的获得8.10sdBF表示磁力线是闭合的，无头无尾的。表示磁力线是闭合的，无头无尾的。由于磁场线都是闭合曲线，因此，从一个闭合曲面由于磁场线都是闭合曲线，因此，从一个闭合曲面 S S 某处穿出的某处穿出的磁场线必定要从该闭合曲面的另一处穿出。磁场线必定要从该闭合曲面的另一处穿出。静电场的高斯定理与磁高斯定理：静电场的高斯定理与磁高斯定理：两者的原则差别在于电场线是由电荷两者的原则差别在于电场线是由电荷发出的，总是源始于正电荷，终至于负电发出的，总是源始于正电荷，终至于负电荷，因此，静电场是有源场；而磁场线都荷，因此，静电场是有源场；
16、而磁场线都是环绕电流的、无头无尾的闭合曲线，因是环绕电流的、无头无尾的闭合曲线，因此，磁场是无源场。磁场没有与正、负电此，磁场是无源场。磁场没有与正、负电荷相对应的、分立的正、负荷相对应的、分立的正、负“磁荷磁荷”(磁磁单极子单极子)。的获得的获得sdtDIldH0n安培环路定律安培环路定律：磁感应强度沿任何闭合环路磁感应强度沿任何闭合环路l的线积分等于穿的线积分等于穿过这个环路的所有电流强度代数和的倍过这个环路的所有电流强度代数和的倍。010.19.100IldHIldB在非稳定条件下，安培环路定律还需加上麦克斯韦位在非稳定条件下，安培环路定律还需加上麦克斯韦位移电流假设移电流假设：11.1
17、0sdtDIldHF表示了电场随时间变化，将产生变化磁场，同表示了电场随时间变化，将产生变化磁场，同时传导电流也将产生磁场。时传导电流也将产生磁场。安培环路定律安培环路定律推导推导 1、问题的提出？、问题的提出？根据恒定电流的安培环路定理根据恒定电流的安培环路定理10.10IldH对曲面对曲面S1:LIl dH对曲面对曲面S2:Ll dH0可见恒定磁场的安培环路定理已不适用于非恒定电流的电路，需要进行修正。可见恒定磁场的安培环路定理已不适用于非恒定电流的电路，需要进行修正。推导推导 2、位移电流假设、位移电流假设非恒定电路中，在传导电流中断处必发生电荷分布的变化，根据非恒定电路中，在传导电流中
18、断处必发生电荷分布的变化，根据 dtdqI 可知极板上电荷的时间变化率等于传导电流。可知极板上电荷的时间变化率等于传导电流。同时电荷分布的变化必引起电场的变化，下面以平行板电容器为例进行分析同时电荷分布的变化必引起电场的变化，下面以平行板电容器为例进行分析:设极板的面积为设极板的面积为S，某时刻极板上自由电荷面密度为，某时刻极板上自由电荷面密度为S(t)，则电位移，则电位移D=S(t)，于是极板间的电位移通量于是极板间的电位移通量推导推导 2、位移电流假设、位移电流假设麦克斯韦把麦克斯韦把ID称为位移电流，它是将电场变化等效为一种电流。由上称为位移电流，它是将电场变化等效为一种电流。由上式可知
19、电位移通量的变化率等于传导电流强。一般情况位移电流式可知电位移通量的变化率等于传导电流强。一般情况位移电流 引入位移电流概念以后，在电容器极板处中断的传导电流I被位移电流dd/dt接替，使电路中电流保持连续不断。传导电流和位移电流之和称为全电流。在上述非闭合、电流不恒定的电路中，全电流I+ID是保持连续的。在电流非恒定情况下安培环路定理应推广为位移电流、传导电流的比较位移电流、传导电流的比较 1.1.位移电流具有磁效应位移电流具有磁效应与传导电流相同与传导电流相同 2.2.位移电流与传导电流不同之处位移电流与传导电流不同之处 (1)产生机理不同 传导电流是电荷定向运动形成的传导电流是电荷定向运
20、动形成的 位移电流是变化的电场位移电流是变化的电场 (2)存在条件不同 传导电流需要导体传导电流需要导体 位移电流不需要导体，可以存在于真空中、导体中、介质中位移电流不需要导体，可以存在于真空中、导体中、介质中 3.3.位移电流没有热效应，传导电流产生焦耳热位移电流没有热效应，传导电流产生焦耳热 场的概念数量场矢量场场的概念数量场矢量场 场的概念场的概念所谓场，就是指物理量在空间或一部分空间空间中的分所谓场，就是指物理量在空间或一部分空间空间中的分布。如电位场、温度场等。布。如电位场、温度场等。数量场矢量场数量场矢量场数量场，分布在空间的物理量是数量（又称标量场），数量场，分布在空间的物理量是
21、数量（又称标量场），例如电位场。例如电位场。矢量场，分布在空间的物理量是矢量（又称向量场），矢量场，分布在空间的物理量是矢量（又称向量场），例如，力场、速度场、电场强度场、磁场强度场等。例如，力场、速度场、电场强度场、磁场强度场等。数量场的梯度数量场的梯度 梯度的概念梯度的概念 在一个数量场中（例如一个描述电位分布的在一个数量场中（例如一个描述电位分布的场），场中某点的梯度，是指在该点沿某个方向上场），场中某点的梯度，是指在该点沿某个方向上具有最大的变化率（变化最陡），那么这个最大变具有最大的变化率（变化最陡），那么这个最大变化率就是该点梯度的值；这个具有最大变化率的方化率就是该点梯度的值；这
22、个具有最大变化率的方向就是梯度的方向向就是梯度的方向。梯度是一个矢量，梯度是一个矢量，gradent(grad u)。数量场的梯度数量场的梯度n 梯度的倒三角符号表示方法（哈密顿算符），梯度的倒三角符号表示方法（哈密顿算符），定义为：定义为：zeyexezyx因此可得某个标量场的表示为：因此可得某个标量场的表示为：zyxezfeyfexffgradf矢量场的散度矢量场的散度 散度的概念散度的概念 场中某点单位体积矢量场发散的净通量。一个矢量场中某点单位体积矢量场发散的净通量。一个矢量场场A的散度（的散度（divergence）可缩写为可缩写为divA。散度的倒三角符号表示式散度的倒三角符号表示
23、式 矢量场矢量场A的散度用倒三角符号表示为的散度用倒三角符号表示为AAdiv矢量场的旋度矢量场的旋度 旋度的概念旋度的概念 有些矢量场的矢量线是闭合（即首有些矢量场的矢量线是闭合（即首尾连接）的，例如，由恒定电流产生的磁力线就是这种尾连接）的，例如，由恒定电流产生的磁力线就是这种情况。这种场是一种涡旋的场，为了描写它的涡旋特性，情况。这种场是一种涡旋的场，为了描写它的涡旋特性，人们引入一个矢量场旋度的概念。人们引入一个矢量场旋度的概念。矢量场旋度的大小是指场中某点单位面积上的最大涡旋量；其矢量场旋度的大小是指场中某点单位面积上的最大涡旋量；其 方向是具有最大涡旋时面积元的方向。方向是具有最大涡
24、旋时面积元的方向。旋度（旋度（rotation）可缩写为可缩写为rotA。n 旋度的三角符号表示式旋度的三角符号表示式AArot高斯高斯(德国德国17771855)德国数学家德国数学家 ，也是科学家，他和牛顿、阿，也是科学家，他和牛顿、阿基米德，被誉为有史以来的三大数学家。高斯基米德，被誉为有史以来的三大数学家。高斯是近代数学奠基者之一，在历史上影响之大，是近代数学奠基者之一，在历史上影响之大，可以和可以和阿基米德、牛顿、欧拉阿基米德、牛顿、欧拉并列，有并列，有“数学数学王子王子”之称。之称。高斯的数学研究几乎遍及所有领域，在数论、高斯的数学研究几乎遍及所有领域，在数论、代数学、非欧几何、复变
25、函数和微分几何等方代数学、非欧几何、复变函数和微分几何等方面都做出了开创性的贡献。发明了面都做出了开创性的贡献。发明了最小二乘法最小二乘法原理原理。算术研究算术研究（18011801）奠定了近代数论）奠定了近代数论的基础，它不仅是数论方面的划时代之作，也的基础，它不仅是数论方面的划时代之作，也是数学史上不可多得的经典著作之一。证明了是数学史上不可多得的经典著作之一。证明了代数基本定理代数基本定理，得到，得到非欧几何的原理非欧几何的原理。发现了。发现了著名的著名的柯西积分定理柯西积分定理。发现椭圆函数的双周期。发现椭圆函数的双周期性。一生共发表性。一生共发表155155篇论文。篇论文。高斯高斯(
26、Gauss)定理定理 高斯定理是关于空间区域上的三重积分与其边界上的曲高斯定理是关于空间区域上的三重积分与其边界上的曲面积分之间关系的一个定理，表示为：面积分之间关系的一个定理，表示为：SVSdAA 高斯定理描述了矢量场中矢量函数沿封闭曲面高斯定理描述了矢量场中矢量函数沿封闭曲面S的面积分，的面积分，等于该矢量函数的散度对该曲面包围体积的体积分。等于该矢量函数的散度对该曲面包围体积的体积分。散度是描述矢量场中一个点上的特性，而高斯定理表达式散度是描述矢量场中一个点上的特性，而高斯定理表达式左端描述的是矢量场左端描述的是矢量场A在一个范围上的特性。在一个范围上的特性。斯托克斯斯托克斯(英国英国1
27、819 1819 1903)1903)英国数学物理学家。他是英国数学物理学家。他是1919世纪英国数世纪英国数学物理学派的重要代表人物之一学物理学派的重要代表人物之一18411841年毕业年毕业于剑桥大学，历任该大学教授、英国皇家学会会于剑桥大学，历任该大学教授、英国皇家学会会员，秘书和会长。他和法国的员，秘书和会长。他和法国的C.-L.-M.-H.C.-L.-M.-H.纳维纳维分别独立地导出流体力学中的纳维分别独立地导出流体力学中的纳维-斯托克斯方程斯托克斯方程和小球在粘滞流体中运动的斯托克斯公式。他提和小球在粘滞流体中运动的斯托克斯公式。他提出过光行差理论，光衍射和晶体双折射的动力理出过光
28、行差理论，光衍射和晶体双折射的动力理论，研究与论，研究与命名了命名了“荧光荧光”现象现象而发现了其中的而发现了其中的斯托克斯效应（发光的波长总是大于激发光的波斯托克斯效应（发光的波长总是大于激发光的波长），并提倡用来对有机体作光谱分析。他在大长），并提倡用来对有机体作光谱分析。他在大地重力测量和数学物理方法方面亦作出过贡献，地重力测量和数学物理方法方面亦作出过贡献，如著名的如著名的斯托克斯积分定理斯托克斯积分定理。斯托克斯在数学方面以场论中关于线积分和斯托克斯在数学方面以场论中关于线积分和面积分之间的一个转换公式（斯托克斯公式）而面积分之间的一个转换公式（斯托克斯公式）而闻名。闻名。斯托克斯斯
29、托克斯(Stokes)定理定理 斯托克斯斯托克斯(Stokes)定理是关于曲面积分与其边定理是关于曲面积分与其边界曲线积分之间关系的定理，即：界曲线积分之间关系的定理，即：SlSdAldA 斯托克斯公式描述矢量场中，矢量斯托克斯公式描述矢量场中，矢量A沿闭合周沿闭合周界界l 的线积分，它等于这个矢量的旋度沿场中的线积分，它等于这个矢量的旋度沿场中以以l为周界的曲面的面积分。为周界的曲面的面积分。麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义 麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式 高斯定理：高斯定理：斯托克斯定律：斯托克斯定律：SdAVdASVSdAldASl高斯定理的微分形式
30、推导高斯定理的微分形式推导)(0)(VSdVSdDn 根据高斯定理，得根据高斯定理，得：0q0n 设自由电荷设自由电荷 是体分布的，是体分布的，为电荷的体密度，则为电荷的体密度，则(1.12)式的式的(I)式为：式为：)()(VSdVDSdDVVdVdVD00D安培环路安培环路定理的微分形式推导定理的微分形式推导假定传导电流是体分布的，其密度为，则假定传导电流是体分布的，其密度为，则0j SdtDjldHsl0 SlSdHl dH根据斯托克斯定律根据斯托克斯定律 SdtDjSdHsS0tDjH0麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式 15.1000tDjHBtBED麦克斯韦方程组的物
31、理意义麦克斯韦方程组的物理意义0()式：电位移矢量或电感应强度的散度式：电位移矢量或电感应强度的散度等于电荷密度，即电等于电荷密度，即电 场为有源场。场为有源场。()式：磁感强度的散度为零，即磁场为式：磁感强度的散度为零，即磁场为无源场。无源场。()式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。()式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。电场与磁场的激发电场与磁场的激发不符合右手法则（为负）不符合右手法则（为负）tB符合右手法则符合右手法则tD电磁波的传播电磁波的传播电场波源磁场磁场磁场磁场磁场电场电场电场2.摩托车安全气囊摩托车安全气囊 摩托
32、车也需要安全防护措施。本田摩托车也需要安全防护措施。本田(Honda)(Honda)公司开发出了世界上首批摩托车公司开发出了世界上首批摩托车安全气垫。其结构同轿车安全气囊，根据安装在摩托车前把上的压力传感器安全气垫。其结构同轿车安全气囊，根据安装在摩托车前把上的压力传感器信号决定何时打开气囊。新款的信号决定何时打开气囊。新款的Honda Gold WingHonda Gold Wing型摩托车将配套安装此安型摩托车将配套安装此安全系统。全系统。3.高清晰数码摄像机高清晰数码摄像机 三洋三洋(Sanyo)(Sanyo)公司将推出一款全新高清晰数码摄像机。使用这款摄像机拍摄公司将推出一款全新高清晰
33、数码摄像机。使用这款摄像机拍摄下来的影像可以在宽屏电视上播放而图像不失真。此外，下来的影像可以在宽屏电视上播放而图像不失真。此外，XactiXacti HD1 HD1型摄像型摄像机还将装配有利用最新一代技术机还将装配有利用最新一代技术-有机发光二极管有机发光二极管OLEDOLED制造的显示屏。制造的显示屏。现已上市，售价现已上市，售价800800美元。美元。1.1.31.1.3介质方程与边界条件介质方程与边界条件介质方程介质方程在介质内部麦克斯韦方程组尚不完备，在介质内部麦克斯韦方程组尚不完备，需补充描写介质性质的方程。需补充描写介质性质的方程。边界条件边界条件法向分量的跃变法向分量的跃变切向
34、分量的跃变切向分量的跃变介质方程介质方程对于各向同性的介质来说，有：对于各向同性的介质来说，有：)18.1()17.1()16.1(000EjHBED为电阻率。,/1270222120/104)/(109.8ANmNsA绝对介电常数：绝对介电常数：绝对磁导率：绝对磁导率：,和分别是相对界电常数、相对磁导率和电导率。分别是相对界电常数、相对磁导率和电导率。0,0是绝对界电常数、绝对磁导率。是绝对界电常数、绝对磁导率。介质方程介质方程 对于各项异性的介质对于各项异性的介质:33323213133232221212313212111119.1EEEDEEEDEEEDaiEDjjiji19.13,2,
35、1,31 角标角标1,2,3代表代表x,y,z分量分量,上式可简写为上式可简写为:小结小结 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(1.15)式加上描述介式加上描述介质性质的方程质性质的方程(1.16)(1.18)式式,全面总结全面总结了电磁场中的规律了电磁场中的规律,是宏观电动力学的基是宏观电动力学的基本方程组本方程组,利用它们原则上利用它们原则上可以解决各种可以解决各种宏观电动力学的问题宏观电动力学的问题。边界条件边界条件 在解麦克斯韦方程组的时候，只有电磁波在在解麦克斯韦方程组的时候，只有电磁波在介质分界面上的边界条件已知的情况下，才能唯介质分界面上的边界条件已知的情况下，才能唯一地确定方程组的解
36、。如电磁波（光波）在介质一地确定方程组的解。如电磁波（光波）在介质分界面上的反射和折射等，都得利用边界条件才分界面上的反射和折射等，都得利用边界条件才能得到解决。麦克斯韦方程组可以用于任何连续能得到解决。麦克斯韦方程组可以用于任何连续介质内部。在两介质分界面上，由于一般出现面介质内部。在两介质分界面上，由于一般出现面电荷电流分布，使物理量发生跃变，可由麦克斯电荷电流分布，使物理量发生跃变，可由麦克斯韦方程组的积分形式进行分析。韦方程组的积分形式进行分析。边界条件：边界条件：法向分量的跃变法向分量的跃变nS11DB 或22DB 或法向分量法向分量分界面021qdSDdSDdSDdSD侧面底面底面
37、因侧面面积趋于零，对底面因侧面面积趋于零，对底面1来说，来说，n是内法线方向所以：是内法线方向所以：012qSnDDdSD边界条件：边界条件：法向分量的跃法向分量的跃变变21.1)(1212nnnnDDDDn或Sq0l 令令 为导体分界面上的自由电荷面密度，于是得到：为导体分界面上的自由电荷面密度，于是得到：l 对于磁场对于磁场B，把（，把（1.12）式中的）式中的式应用得到：式应用得到：23.10)(1212nnnnBBBBn或SqSnDDdSD012012SnBBdSB边界条件：边界条件：切向分量的跃变切向分量的跃变 在高频情况下，由于趋肤效应，电流、电场和磁场都将分布在高频情况下，由于趋
38、肤效应，电流、电场和磁场都将分布在导体表面附近的一薄层内。若导体的电阻可忽略，薄层的厚度在导体表面附近的一薄层内。若导体的电阻可忽略，薄层的厚度趋于零，则可以把传导电流看成沿导体表面分布。定义电流线密趋于零，则可以把传导电流看成沿导体表面分布。定义电流线密度度，其大小等于垂直通过单位横切线的电流。由于存在面电流，其大小等于垂直通过单位横切线的电流。由于存在面电流，在界面两侧的磁场强度将发生跃变。在界面两侧的磁场强度将发生跃变。边界条件：边界条件：切向分量的跃变切向分量的跃变DCAB12介质分解面介质切线分量11EH 或22EH 或ln 把麦氏方程（把麦氏方程（1.12）式中的）式中的式应用于狭
39、长回路上。回路式应用于狭长回路上。回路短边的长度趋于零，因而有：短边的长度趋于零，因而有：lHHldHtt12n 其中其中t 表示沿表示沿l 的切向分量。的切向分量。通过回路通过回路的总自由电流为：的总自由电流为：lI0tDn 由于回路所围面积趋于零而由于回路所围面积趋于零而 为有限量，因而：为有限量，因而：0SdDtn 定义电流线密度为定义电流线密度为边界条件：边界条件：切向分量的跃变切向分量的跃变sdtDIldH0lHHldHtt120SdtDlI0ttHH12边界条件：边界条件：切向分量的跃变切向分量的跃变 流过流过l的自由电流为：的自由电流为：lnlnI0 对于狭长回路用麦氏方程（对于
40、狭长回路用麦氏方程（1.12）式中）式中的的式得式得：lnIlHHldH012由于由于L为界面上任一矢量为界面上任一矢量nHH|12边界条件：边界条件：切向分量的跃变切向分量的跃变 式中式中|表示投影到界面上的矢量。因此表示投影到界面上的矢量。因此12HHn 同理，由（同理，由（1.12）式中的）式中的式式,可得电场可得电场切向分量的边界条件切向分量的边界条件:012EEn12|12HHnHHn边界条件边界条件012EEn 界面两侧电场的切向分量连续界面两侧电场的切向分量连续12HHn 界面两侧磁场的切向分量发生了跃变界面两侧磁场的切向分量发生了跃变12DDn 界面两侧电场的法向分量发生了跃变
41、界面两侧电场的法向分量发生了跃变012BBn 界面两侧磁场的法向分量连续界面两侧磁场的法向分量连续 边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系制约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应用对于解决实际问题十分重要。应用对于解决实际问题十分重要。平面电磁波的传播平面电磁波的传播EHk平面电磁波的性质平面电磁波的性质1、电磁波是横波，电矢量电磁波是横波，电矢量E、磁矢量、磁矢量H和传播方向和传播方向K（
42、K为传播方向的单位矢量）两两垂直。为传播方向的单位矢量）两两垂直。HEHE0000真空中介质中smCkv/1031180000 E和和H幅度成比例、复角相等幅度成比例、复角相等 电磁波的传播速度电磁波的传播速度光的电磁理论与电磁波谱光的电磁理论与电磁波谱 18651865年，麦克斯韦由电磁场理论预测到电磁波的存在，并且提出了光的年，麦克斯韦由电磁场理论预测到电磁波的存在，并且提出了光的电磁波说，这是人类认识论上的一次巨大飞跃，也为电磁波的应用奠定了理电磁波说，这是人类认识论上的一次巨大飞跃，也为电磁波的应用奠定了理论基础，同时，对电磁波本性的深入研究最终导致了论基础，同时，对电磁波本性的深入研
43、究最终导致了2020世纪的两大支柱：量世纪的两大支柱：量子论与相对论的诞生。子论与相对论的诞生。18871887年，赫兹首次用实验验证了电磁波的存在，以及证实了麦克斯韦的年，赫兹首次用实验验证了电磁波的存在，以及证实了麦克斯韦的推测：光是一种电磁波。即电磁波与光波性质完全相同。推测：光是一种电磁波。即电磁波与光波性质完全相同。此后，人们又进行此后，人们又进行了许多试验，不仅进一步证实了光的电磁波说，而且证明了陆续发现的了许多试验，不仅进一步证实了光的电磁波说，而且证明了陆续发现的X X射射线、线、射线等也是电磁波。所有电磁波本性完全相同，只是波长（或频率）射线等也是电磁波。所有电磁波本性完全相
44、同，只是波长（或频率）有所差异。按波长（或频率）将电磁波排列成谱，组成了一个庞大的电磁波有所差异。按波长（或频率）将电磁波排列成谱，组成了一个庞大的电磁波谱。谱。大量实验表明，电磁波谱没有上限和下限，从无线电波、微波、红外线、大量实验表明，电磁波谱没有上限和下限，从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线到可见光、紫外线到X X射线、射线、射线等都是电磁波。射线等都是电磁波。电磁波在各波段上都有极电磁波在各波段上都有极为广泛的应用，可见光只占电磁波谱中极为狭小的一段。原因是这一段是太为广泛的应用，可见光只占电磁波谱中极为狭小的一段。原因是这一段是太阳辐射功率最大的一部分，生物选择这一小段作为可见
45、光有利于进化，不同阳辐射功率最大的一部分，生物选择这一小段作为可见光有利于进化，不同生物的可见光范围不同，对人来说是生物的可见光范围不同，对人来说是400nm400nm到到760nm760nm。赫兹（德国赫兹（德国1857185718941894）赫兹，德国物理学家，生于汉堡。赫兹，德国物理学家，生于汉堡。早在少年时代就被光学和力学实验早在少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程，由于对自然科学的爱好，学工程，由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，在物理学教授次年转入柏林大学，在物理学教授亥姆霍兹指导下学习。亥姆霍兹指导下学习。188518
46、85年任卡年任卡尔鲁厄大学物理学教授。尔鲁厄大学物理学教授。18891889年，年，接替克劳修斯担任波恩大学物理学接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授，直到逝世。教授，直到逝世。赫兹对人类最伟大的贡献是用赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。实验证实了电磁波的存在。赫兹的实验赫兹的实验赫兹的实验赫兹的实验设计了如图所示的一种电磁波发生器设计了如图所示的一种电磁波发生器（直线型开放振荡器），这种振荡器是（直线型开放振荡器），这种振荡器是在两根长在两根长1212英寸的铜棒上各焊一个磨光英寸的铜棒上各焊一个磨光的黄铜球，另一端各安一块边长的黄铜球，另一端各安一块边长1616英寸英寸的正方形
47、锌块，两根铜棒放在同一直线的正方形锌块，两根铜棒放在同一直线上，两球之间留一空隙，将它们连到感上，两球之间留一空隙，将它们连到感应圈的次级线圈两端当充电到一定程应圈的次级线圈两端当充电到一定程度间隙被火花击穿，两段金属杆连成一度间隙被火花击穿，两段金属杆连成一条导电通路，这时它相当于一个振荡偶条导电通路，这时它相当于一个振荡偶极子，在其中激起高频的振荡（在赫兹极子，在其中激起高频的振荡（在赫兹实验中振荡频率约为实验中振荡频率约为108109108109周）感周）感应圈以每秒应圈以每秒1010210102周的频率一次一次地周的频率一次一次地使火花间隙充电但是由于能量不断辐使火花间隙充电但是由于能
48、量不断辐射出去而损失，每次放电后引起的高频射出去而损失，每次放电后引起的高频振荡衰减很快因此所产生的是一种间振荡衰减很快因此所产生的是一种间歇性的阻尼振荡（如图）赫兹把这装歇性的阻尼振荡（如图）赫兹把这装置称为置称为“振荡偶极子振荡偶极子”赫兹的实验赫兹的实验为了探测由振荡偶极子（电磁波发生器）发射出来的电磁波，赫兹还将一根粗铜导线为了探测由振荡偶极子（电磁波发生器）发射出来的电磁波，赫兹还将一根粗铜导线弯成一圆环形，在环的开口端各焊上一黄铜球，两球间的距离还可以利用螺旋作微小弯成一圆环形，在环的开口端各焊上一黄铜球，两球间的距离还可以利用螺旋作微小调节，这种装置他称为调节，这种装置他称为“共
49、振偶极子共振偶极子”，作为检波器，放在电磁波发生器附近，作为检波器，放在电磁波发生器附近 如果麦克斯韦电磁场理论是正确的，那么振荡偶极子产生的交变电磁场就会在空间产如果麦克斯韦电磁场理论是正确的，那么振荡偶极子产生的交变电磁场就会在空间产生新的电磁场，也就是在空间出现电磁波，在离此振荡偶极子一定距离的地方用共振生新的电磁场，也就是在空间出现电磁波，在离此振荡偶极子一定距离的地方用共振偶极子检测到这种变化的电磁场，不就证明了电磁波的存在吗？赫兹沿着这条思路继偶极子检测到这种变化的电磁场，不就证明了电磁波的存在吗？赫兹沿着这条思路继续实验下去续实验下去实验进行得很不顺利这期间他的艰苦可以从他写的一
50、封信中看出：实验进行得很不顺利这期间他的艰苦可以从他写的一封信中看出：“无论从时间上无论从时间上还是从性质上，我都象一个工人在工厂里那样工作，我上千次地重复每一个单调的动还是从性质上，我都象一个工人在工厂里那样工作，我上千次地重复每一个单调的动作，一个挨一个地钻孔、弯扁铁，接下来还要把它们涂上漆作，一个挨一个地钻孔、弯扁铁，接下来还要把它们涂上漆”18871887年的一天，赫兹给振荡偶极子输入高压脉冲电流，象往常一样，在暗室中凝视共年的一天，赫兹给振荡偶极子输入高压脉冲电流，象往常一样，在暗室中凝视共振偶极子铜环两个小铜球之间微小的空隙突然，空隙中迸发出一个微弱的火花他振偶极子铜环两个小铜球之
