光的電磁理論
正文
說明光在本質上是電磁波的理論。光的電磁理論是首先由J.C.麥克斯韋提出的。經過多年嘗試,他於1864年發表了較完整的理論。在麥克斯韋以前,科學家們已認識到光是橫波。為了說明這種橫波,以A.-J.菲涅耳為代表的一些科學家構想光波是在一種特殊媒質──以太中傳播的波,但是遇到了不可克服的困難(見以太論)。在光學發展的同時,電磁學有了很大發展。麥克斯韋引入位移電流,建成了電磁場方程組(常稱為麥克斯韋方程組)。從這組方程出發,麥克斯韋由理論上推斷出電磁波的存在,其速度與光速相同。因此,認為光波是一種電磁波。到1888年H.R.赫茲證實了電磁波的存在,並測量了電磁波速。接著他又證實電磁波與光波一樣有衍射、折射、偏振等性質,最終確立了光的電磁理論。波動方程 下面從電磁場方程組出發來闡明光的電磁理論。在寫電磁場方程組時,將採用高斯制,因為這樣更易講明人們的認識過程。當媒質中無自由電荷與電流時,方程組為
, (1)
, (2)
(3)
(4)
。 (5)
, (6)
由式(1)~(6)可以導出
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(8)
(9)
在媒質中傳播時,電磁波速由式(9)決定。由光學已知,媒質中光速為真空中光速除以折射率n。於是由式(9)得媒質中光的折射率為
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(11)
下圖畫出了一個平面單色電磁波在某一瞬間的 E與H的關係。圖中取傳播方向為+x方向,取E沿y方向,則H沿z方向。曲線給出在不同x值處的E與H。可以看出E與H位相相同,並服從式(11)所表示的關係。

在一般情形下,磁場強度的作用比電場強度的作用要小一個因子υ/с。這裡υ是帶電粒子的速度,它往往遠小於光速с。故現代認為在一般情形下應取電場強度矢量對應於光振動矢量。
光的能流密度 在波動理論中,人們認為光的能量密度是與光振動矢量的二次方成正比。現在光是電磁波,光的能量密度即電磁場的能量密度。而由電磁場理論得知,電磁場的能量密度為
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根據光的電磁理論,光的能流密度矢量可以用坡印廷矢量來表示,即
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參考書目
母國光、戰元齡編:《光學》,人民教育出版社,北京,1978。
R.W.Ditchburn, Light,2nd ed., Blackie & Son,London, 1963.
E.T.Whittaker, A History of the Theories of Aether and Electricity, Vol.1, Thomas Nelson and Son, London, 1951.