ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแสง

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง ซึ่งคุณสมบัติของแสงเป็นไปตามสมการของแมกซ์เวลล์ ซึ่งกำหนดความเร็วของแสงและควบคุมการแพร่กระจายของแสงผ่านตัวกลาง

Definition

การอธิบายแสงในฐานะการสั่นสะเทือนตามขวางที่พยุงตัวเองได้ของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แพร่กระจายตามสมการของแมกซ์เวลล์ โดยมีความเร็ว ความเข้ม และการกระจายที่กำหนดโดยคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวกลาง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการอธิบายแสงในฐานะผลเฉลยของสมการของแมกซ์เวลล์: สมการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า, คลื่นระนาบและคลื่นทรงกลม, ลักษณะตามขวางของสนาม, ความเร็วของแสงที่เกี่ยวข้องกับสภาพยอมและสภาพซึมผ่านของตัวกลาง, การไหลของพลังงานที่อธิบายโดยเวกเตอร์พอยน์ติงและความเข้ม, และพฤติกรรมของแสงในตัวกลางไดอิเล็กตริก รวมถึงการกระจายและดัชนีหักเหเชิงซ้อน ซึ่งเป็นการวางรากฐานของคลื่นที่การแทรกสอด การเลี้ยวเบน และโพลาไรเซชันตั้งอยู่

Core questions

• สมการของแมกซ์เวลล์ทำให้เกิดสมการคลื่นสำหรับแสงได้อย่างไร?
• เหตุใดแสงจึงเป็นคลื่นตามขวาง และสิ่งนั้นบ่งบอกอะไรเกี่ยวกับสนามของแสง?
• ความเร็วของแสงเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของตัวกลางอย่างไร?
• พลังงานที่แสงนำพามานั้นถูกหาปริมาณได้อย่างไร?

Key concepts

• สมการของแมกซ์เวลล์
• สมการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
• คลื่นตามขวาง
• เวกเตอร์พอยน์ติง
• ความเข้มแสง
• ดัชนีหักเห
• การกระจาย
• ความเร็วของแสง

Key theories

สมการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

การรวมสมการของแมกซ์เวลล์ในบริเวณที่ไม่มีแหล่งกำเนิดทำให้เกิดสมการคลื่นซึ่งผลเฉลยจะแพร่กระจายด้วยความเร็วที่กำหนดโดยสภาพยอมและสภาพซึมผ่านของตัวกลาง ซึ่งระบุว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เวกเตอร์พอยน์ติงและความเข้มแสง

การไหลของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกกำหนดโดยเวกเตอร์พอยน์ติง ซึ่งค่าเฉลี่ยตามเวลาจะกำหนดความเข้มแสงที่เครื่องตรวจจับวัดได้

Clinical relevance

การอธิบายแสงด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพื้นฐานของการรักษาเชิงปริมาณว่าเนื้อเยื่อดูดซับ กระจาย และหักเหแสงอย่างไร ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวินิจฉัยด้วยแสง ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับเนื้อเยื่อ และการออกแบบระบบการถ่ายภาพทางการแพทย์และระบบการบำบัดด้วยแสง

History

แมกซ์เวลล์ได้ทำนายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและคำนวณความเร็วของคลื่นในช่วงทศวรรษ 1860 โดยพบว่าเท่ากับความเร็วของแสงที่วัดได้ และสรุปว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เฮิรตซ์ยืนยันการมีอยู่ของคลื่นดังกล่าวจากการทดลองในปี 1887 และทฤษฎีอิเล็กตรอนของลอเรนซ์ในภายหลังได้อธิบายการกระจายในแง่ของการตอบสนองของประจุในสสาร

Key figures

• James Clerk Maxwell
• Heinrich Hertz
• Hendrik Lorentz

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

ทำไมแสงถึงช้าลงในแก้วหรือน้ำ?

ในตัวกลาง สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะขับเคลื่อนประจุที่ถูกผูกไว้ของวัสดุ ซึ่งการแผ่รังสีซ้ำจะรวมกับคลื่นเดิมเพื่อให้ได้คลื่นสุทธิที่เคลื่อนที่ช้าลง ซึ่งแสดงออกด้วยดัชนีหักเหที่มากกว่าหนึ่ง

การที่แสงเป็นคลื่นตามขวางหมายความว่าอย่างไร?

สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สั่นจะชี้ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายและตั้งฉากซึ่งกันและกัน ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดโพลาไรเซชันได้