Электромагнитная теория света

Свет — это поперечная электромагнитная волна, свойства которой следуют из уравнений Максвелла, определяющих ее скорость и управляющих ее распространением в среде.

Definition

Описание света как самоподдерживающегося поперечного колебания электрических и магнитных полей, распространяющегося согласно уравнениям Максвелла, со скоростью, интенсивностью и дисперсией, определяемыми электромагнитными свойствами среды.

Scope

Эта тема охватывает описание света как решения уравнений Максвелла: уравнение электромагнитной волны, плоские и сферические волны, поперечный характер полей, скорость света, связанную с диэлектрической проницаемостью и магнитной проницаемостью среды, поток энергии, описываемый вектором Пойнтинга и интенсивностью, а также поведение света в диэлектрических средах, включая дисперсию и комплексный показатель преломления. Она закладывает волновой фундамент, на котором базируются интерференция, дифракция и поляризация.

Core questions

• Как уравнения Максвелла приводят к волновому уравнению для света?
• Почему свет является поперечной волной и что это означает для его полей?
• Как скорость света связана со свойствами среды?
• Как количественно определяется энергия, переносимая светом?

Key concepts

• Уравнения Максвелла
• Уравнение электромагнитной волны
• Поперечная волна
• Вектор Пойнтинга
• Оптическая интенсивность
• Показатель преломления
• Дисперсия
• Скорость света

Key theories

Уравнение электромагнитной волны Максвелла

Объединение уравнений Максвелла в области без источников дает волновое уравнение, решения которого распространяются со скоростью, определяемой диэлектрической и магнитной проницаемостью среды, что позволяет идентифицировать свет как электромагнитную волну.

Вектор Пойнтинга и оптическая интенсивность

Поток электромагнитной энергии определяется вектором Пойнтинга, среднее по времени значение которого определяет оптическую интенсивность, измеряемую детекторами.

Clinical relevance

Электромагнитное описание света лежит в основе количественного подхода к поглощению, рассеянию и преломлению света тканями, что является фундаментальным для оптической диагностики, взаимодействия лазера с тканями и разработки систем медицинской визуализации и фототерапии.

History

Максвелл предсказал электромагнитные волны и вычислил их скорость в 1860-х годах, обнаружив, что она равна измеренной скорости света, и пришел к выводу, что свет является электромагнитным. Герц экспериментально подтвердил существование таких волн в 1887 году, а электронная теория Лоренца позднее объяснила дисперсию с точки зрения отклика зарядов в веществе.

Key figures

• James Clerk Maxwell
• Heinrich Hertz
• Hendrik Lorentz

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

Почему свет замедляется в стекле или воде?

В среде электромагнитное поле приводит в движение связанные заряды материала, переизлучение которых в сочетании с исходной волной дает результирующую волну, распространяющуюся медленнее, что выражается показателем преломления больше единицы.

Что означает, что свет является поперечной волной?

Колеблющиеся электрические и магнитные поля направлены перпендикулярно направлению распространения и друг другу, что делает возможной поляризацию.