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光子带背景知识

 释怀斋 2025-05-01 发布于重庆
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光子时代

塞莱斯廷预言

光（光波的二象性）

光子

光态

光子带（光子环）

昴星团

光子年


http://www.360doc.com/editarticle.aspx?articleid=351507960


光学克尔效应
克尔电光效应
法拉第效应
法拉第磁光效应
磁-光效应
磁光克尔效应

http://www.360doc.com/showweb/0/0/1152458008.aspx


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光子图 


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光子贴图TM 是一种技术，用于在使用 mental ray 渲染器 进行渲染时，生成焦散和全局照明的间接照明效果。当它计算间接照明时，mental ray 渲染器跟踪光线所发出的光子。光子的轨迹通过场景，由对象反射或透射，直到最后到达漫反射表面。当它们到达表面时，光子存储在光子贴图中。
中文名
光子图
类    型
技术
学    科
物理
应    用
mental ray 渲染器

目录

光子图简介

生成光子贴图非常耗费时间。为了改善性能，必须明确指定： 哪些光发出的光子用于间接照明。 哪些对象可以生成焦散或全局照明。 哪些对象可以接收焦散或全局照明。 生成和接收焦散的设置位于“对象属性”对话框 > “mental ray”面板中。 光子贴图只为那些能够接收焦散、全局照明或两者的对象存储光子。 为了进一步减少生成光子贴图所需要的时间，光子由轨迹深度控件限制。跟踪深度限制光子被反射、折射或两者影响的次数。 在动画中，节省时间的另一个方法是重复使用光子贴图文件。如果在动画过程中照明没有改变，那么计算并保存第一帧的光子贴图文件，然后选择“使用现有”选项来渲染后面的帧。 mental ray 渲染器将光子贴图保存为 PMAP 文件。光子贴图控件位于“渲染场景对话框”>“ 间接照明”面板 > 焦散和全局照明卷展栏中。

光子图光子介绍

原始称呼是光量子（light quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。其静止量为零，不带电荷，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，ε=hv，在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。早在1900年，M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hv；1905年A.爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。量子电动力学确立后，确认光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。带电粒子通过发射或吸收光子而相互作用，正反带电粒子对可湮没转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。
光子从激光的相干光束中出射
光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分子就从基态变成了激发态。
光子具有能量，也具有动量，更具有质量，按照质能方程，E=mc2=hν,求出M=hν/c2,
光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量。
光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态。

光子图光子与经典电磁理论

命名
光子起初被爱因斯坦命名为光量子 。 光子的现代英文名称photon源于希腊文 φῶς （在罗马字下写为phôs），是由物理化学家吉尔伯特·路易士在他的一个假设性理论中创建的。 在路易士的理论中， photon指的是辐射能量的最小单位，其“不能被创造也不能被毁灭”。 尽管由于这一理论与大多数实验结果相违背而从未得到公认， photon这一名称却很快被很多物理学家所采用。 根据科幻小说作家、科普作家艾萨克·阿西莫夫的记载， 阿瑟·康普顿于1927年首先用photon来称呼光量子。
在物理学领域，光子通常用希腊字母γ （音： Gamma ）表示，这一符号有可能来自由法国物理学家维拉德 （ Paul Ulrich Villard ）于1900年发现的伽玛射线，伽玛射线由卢瑟福和英国物理学家安德雷德 （ Edward Andrade ）于1914年证实是电磁辐射的一种形式。 在化学和光学工程领域，光子经常被写为h ν ，即用它的能量来表示；有时也用f来表示其频率，即写为h f 。
物理性质
用费曼图表示的正电子 - 负电子散射（也叫做BhaBha散射 ），波浪线表示交换虚光子的过程
参见： 狭义相对论
从波的角度看，光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量，决定了它的波长和传播方向；从粒子的角度看，光子静止质量为零，电荷为零， 半衰期无限长。 光子是自旋为1的规范玻色子，因而轻子数 、 重子数和奇异数都为零。
光子的静止质量严格为零，本质上和库仑定律严格的距离平方反比关系等价，如果光子静质量不为零，那么库仑定律也不是严格的平方反比定律。 所有有关的经典理论，如麦克斯韦方程组和电磁场的拉格朗日量都依赖于光子静质量严格为零的假设。 从爱因斯坦的质能关系和光量子能量公式可粗略得到光子质量的上限：M=HV/C^2
这里M即是光子质量的上限， V是任意电磁波的频率，位于超低频段的舒曼共振已知最低频率约为7.8赫兹。
这个值仅比现在得到的广为接受的上限值高出两个数量级。
参见光子：规范玻色子一节中对光子质量的讨论。
光子能够在很多自然过程中产生，例如：在分子、 原子或原子核从高能级向低能级跃迁时电荷被加速的过程中会辐射光子，粒子和反粒子 湮灭时也会产生光子；在上述的时间反演过程中光子能够被吸收，即分子、原子或原子核从低能级向高能级跃迁，粒子和反粒子对的产生。
在真空中光子的速度为光速，能量 和动量p之间关系为（公式缺）； 相对论力学中一般质量为？的粒子的能量动量关系为（公式缺）。
光子的能量和动量仅与光子的频率ν有关；或者说仅与波长λ有关光子的能量和动量仅与光子的频率ν有关；或者说仅与波长λ有关 。
从而得到光子的动量大小为 ？
其中？ 也叫做狄拉克常数或约化普朗克常数 ， k是波矢，其大小也叫做狄拉克常数或约化普朗克常数 ，方向指向光子的传播方向；？叫做波数 ；？ 是角频率 。 光子本身还携带有与其频率无关的内秉角动量？： 自旋角动量 ？，其大小为光子本身 ，并且自旋角动量在其运动方向上的分量(这一分量在量子场论中被称作helicity )一定为 ？ ，两种可能的值分别对应着光子的两种圆偏振态（右旋和左旋）。
从光子的能量、动量公式可导出一个推论：粒子和其反粒子的湮灭过程一定产生至少两个光子。 原因是在质心系下粒子和其反粒子组成的系统总动量为零，由于动量守恒定律 ，产生的光子的总动量也必须为零；由于单个光子总具有不为零的大小为 的动量，系统只能产生两个或两个以上的光子来满足总动量为零。 产生光子的频率，即它们的能量，则由能量-动量守恒定律 （四维动量守恒）决定。 而从能量-动量守恒可知，粒子和反粒子湮灭的逆过程，即双光子生成电子-反电子对的过程不可能在真空中自发产生。
光子具有波粒二象性，即说光子像一粒一粒的粒子的特性又有像声波一样的波动性，光子的波动性有光子的衍射而证明，光子的粒子性是由光电效应证明。
上面有人认为光子的动质量为零是错误的，光子的静质量为零，否则的话其动质量将为无穷大。但其动质量却是存在的，计算方法是这样的：首先，由于频率为v的光子的能量为
E=hv，（其中h为普朗克常数），故由质能公式可得其质量为：m=E/c2=hv/c2
其中c^2表示光速的平方。该方法由爱因斯坦首先提出。
经典的波有群速度与相速度之分。
光子的速度就是光速。
光子有速度、能量、动量、质量。光子不可能静止。光子可以变成其它物质（如一对正负电子），但能量守恒、动量守恒。
华中科大罗俊教授重新确定光子静止质量上限
华中科技大学教授重新确定光子静止质量上限，有业内人士认为：光子静止质量为零是经典电磁理论的基本假设之一。但有些科学家则认为，光子可能有静止质量。如果实验最终检测到光子存在静止质量，那么有些经典理论将要有所变化。
在2月28日出版的美国《物理学评论快报》（PhysicalReviewLetters） 上，有专文介绍说：“一项由中国科学家罗俊等完成的新的实验表明，在任何情况下，光子的静止质量都不会超过10的负54次方千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的1/20。”罗俊和他的同事通过一种新颖的实验方法，在一个山洞实验室里将光子静止质量的上限，进一步提高了至少一个数量级。
据悉，如果光子存在静止质量，虽然不会影响到人们的日常生活，但其产生的后果将是根本性的———例如，光速将随波长的改变而变化，并且光波将像声波一样能够产生纵向振动。

光子图历史发展

到十八世纪为止的大多数理论中，光被描述成由无数微小粒子组成的物质。由于微粒说不能较为容易地解释光的折射、衍射和双折射等现象，笛卡尔（1637年） 、胡克（1665年）和惠更斯（1678年）等人提出了光的（机械）波动理论；但在当时由于牛顿的权威影响力，光的微粒说仍然占有主导地位。十九世纪初，托马斯·杨和菲涅尔的实验清晰地证实了光的干涉和衍射特性，到1850年左右，光的波动理论已经完全被学界接受。1865年，麦克斯韦的理论预言光是一种电磁波，证实电磁波存在的实验由赫兹在1888年完成，这似乎标志着光的微粒说的彻底终结。
然而，麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能解释光的所有性质。例如在经典电磁理论中，光波的能量只与波场的能量密度（光强）有关，与光波的频率无关；但很多相关实验，例如光电效应实验，都表明光的能量与光强无关，而仅与频率有关。类似的例子还有在光化学的某些反应中，只有当光照频率超过某一阈值时反应才会发生，而在阈值以下无论如何提高光强反应都不会发生。
与此同时，由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达四十多年（1860-1900）的研究因普朗克建立的假说而得到终结，普朗克提出任何系统发射或吸收频率为
的电磁波的能量总是
的整数倍。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应作出解释，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论先进性在于，在麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的，能够具有任意大小的值，而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的，这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值；而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的 。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上，很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。在1909年 和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有
的动量，以赋予它们完美的粒子性。光子的动量在1926年由康普顿在实验中观测到 ，康普顿也因此获得1927年的诺贝尔奖。
爱因斯坦等人的工作证明了光子的存在，随之而来的问题是：如何将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来呢？爱因斯坦始终未能找到统一两者的理论，但如今这个问题的解答已经被包含在量子电动力学和其后续理论：标准模型中。

光子图技术应用

这里讨论的是光子在当今技术中的应用，而不是泛指可在传统光学下应用的光学仪器（如透镜）。激光是二十世纪光学最重要的技术之一，其原理是上文讨论的受激辐射。
对单个光子的探测可用多种方法，传统的光电倍增管利用光电效应：当有光子到达金属板激发出电子时，所形成的光电流将被放大引起雪崩放电。电荷耦合元件（CCD）应用半导体中类似的效应，入射的光子在一个微型电容器上激发出电子从而可被探测到。其他探测器，如盖革计数器利用光子能够电离气体分子的性质，从而在导体中形成可检测的电流。
普朗克的能量公式
经常在工程和化学中被用来计算存在光子吸收时的能量变化，以及能级跃迁时发射光的频率。例如在荧光灯的发射光谱的设计中会用不同能级的电子去碰撞气体分子，直到有合适的能级能够激发出荧光。
在某些情形下，单独一个光子无能力激发一个能级的跃迁，而需要有两个光子同时激发。这就提供了更高分辨率的显微技术，因为样品只有在两束不同颜色的光所照射的高度重叠的部分之内才会吸收能量，而这部分的体积要比单独一束光照射到并引起激发的部分小很多，这种技术被应用于双光子激发显微镜中。而且，应用弱光照射能够减小光照对样品的影响。
有时候两个系统的能级跃迁会发生耦合，即一个系统吸收光子，而另一个系统从中“窃取”了这部分能量并释放出不同频率的光子。这是荧光共振能量传递的基础，被应用于测量分子间距中。
量子光学是物理光学中相对于波动光学的另一个分支。光子可能是超快的量子计算机的基本运算元素，而在这方面重点研究的对象是量子纠缠态。非线性光学是当前光学另一个活跃的领域，它研究的课题包括光纤中的非线性散射效应、四波混频、双光子吸收、自相位调制、光学参量振荡等。不过这些课题中并不都要求假设光子的存在，在建模过程中原子经常被处理为一个非线性振子。非线性效应中的自发参量下转换经常被用来产生单光子态。最后，光子是光通信领域某些方面的关键因素，特别是在量子密码学中。


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光学克尔效应  



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一种三阶非线性光学效应。普通克尔效应是指介质在电场作用下，沿平行和沿垂直于电场方向偏振的光波的折射率n'和n”发生不同的变化，且它们之间的差值Δn正比于电场的二次方，从而出现感应双折射现象。通常，所加电场是直流或低频交变电场。当所加的是光频电场时，如果光足够强 ,也会发生同样的现象。此时Δn正比于作用在介质中的激光束的光强。这称为光学克尔效应。
中文名
光学克尔效应
外文名
The optical Kerr effect
属    性
一种三阶非线性光学效应
条    件
介质在电场作用下

目录

光学克尔效应基本信息

产生光学克尔效应的非线性介质可以是液体、固体、气体或原子蒸气。产生的物理机制、效应的强弱都可以很不相同。有时也可以同时来源于几种不同机制。
常见的物理机制有：
①在光的作用下能级粒子数分布发生了改变。这适用于有分立能级的原子、分子或固体体系。
②在光的作用下电子云分布发生了变化。这适用于原子或固体。
③光场感生的电致伸缩效应。这适用于液体、固体和高压气体。
④光场引起分子取向发生变化。适用于由各向异性分子组成的有机液体和溶液、分子晶体和液晶等。
⑤光场引起分子排列发生变化。适用于例如液态的惰性元素等。

光学克尔效应原理

通过对于来自光学克尔效应的双折射的测量，能够有效地测定各种介质的三阶非线性极化率。由于不同介质产生的光学克尔效应有着不同的机制，通过光学克尔效应的研究还可以进行各种不同物质的物性研究，测量不同的微观参量，例如分子取向的弛豫时间等。



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克尔电光效应  



同义词 克尔效应一般指克尔电光效应
指与电场二次方成正比的电感应双折射现象。放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。 这一现象是1875年J.克尔发现的。后人称它为克尔电光效应，简称克尔效应。
中文名
克尔电光效应
外文名
Kerr electro-optic effect
领    域
光学
别    称
克尔效应
本    质
电感应双折射现象
相关名词
磁光克尔效应

克尔电光效应简介

在外电场作用下，液体就成为光学上的单轴晶体，其光轴同电场方向平行。通常的作法是：把液体装在玻璃容器中，外加电场通过平行板电极作用在液体上，光垂直于电场方向通过玻璃容器，以观察克尔电光效应。这种装置称为克尔盒。这时两个主要折射率n0与ne，分别称为正常与反常折射率。容器中的液体称为正或负双折射物质，取决于ne-n0值的为正或负。
入射光通过克尔盒后，分裂成两个分别以相速с/n0与с/ne传播的线偏振光（с是真空中的光速），其偏振方向（电矢量方向）分别与外加电场垂直或平行。相速之差引起这两个偏振光之间的相位差δ。如果入射光是波长为λ0的单色光，则
式中x是光通过电场作用下媒质的程长，即平行板电极的长度。 [1] 

克尔电光效应理论介绍

克尔电光效应对于非线性材料，电动极化场p只会取决于电场：
其中ε0是真空介电常数，
是电极化率的n阶的组成部分。“：”符号代表了矩阵之间的内积。我们可以更明确的描述这种关系，第i次组成的向量P可以表示为：
式中，i=1,2,3。通常假设
，即部分平行为x的极化场；
等等。
材料表现出不可忽视的克尔电光效应，第三个术语
是很重要的。考虑由光波频率是ω的净电场
以及外加电场
：
其中Eω是矢量振幅波。
结合这两个方程产生一个复杂的表达。直流克尔效应，我们可以忽略所有的线性术语，这是类似的线性关系，两极化和一个电场。对于非对称的媒介（例如液体），这引起变化的敏感性产生变化折射率的方向电场：
λ0是真空波长，K是克尔常数。结合偏振片，它可以被用来作为快门或调制器。
K的值取决于媒介，并且大约为9.4×10-14mV-2。 [2] 

克尔电光效应三大效应

克尔电光效应克尔效应

也称为二次电光（QEO）效应的克尔效应是材料响应于所施加的电场的折射率的变化。 克尔效应与普克尔效应不同，因为诱导的指数变化与电场的平方成正比，而不是线性变化。 所有材料显示克尔效应，但某些液体比其他液体显示更强烈。 克尔效应于1875年被苏格兰物理学家约翰·克尔（John Kerr）发现。 [3] 
通常考虑克尔效应的两种特殊情况，这些都是克尔电光效应或克尔效应。
例如，电压在电极材料的影响下的应用领域，材料成为双折射，不同指标的折射光偏振平行或垂直应用领域。在不同的折射率，Δn是由
克尔电光效应   克尔电光效应
其中λ是光的波长，K是克尔常数，E是电场的强度。 当光线垂直于电场的方向入射到其上时，折射率的这种差异导致材料像波片一样起作用。 如果材料放置在两个“交叉”（垂直）线性偏振器之间，当电场关闭时不会发出光，而几乎所有的光将被传输到电场的一些最佳值。 克尔常数的较高值允许通过较小的施加电场实现完整的传输。
一些极性液体，如硝基甲苯和硝基苯表现出非常大的克尔常数。 填充有这些液体之一的玻璃电池称为克尔电池。 这些常用于调制光，因为克尔效应对电场的变化非常快。 这些设备的光可以在高达10GHz的频率下进行调制。 由于克尔效应相对较弱，典型的克尔电池可能需要高达30kV的电压才能实现完全透明。 这与Pockels电池相反，Pockels电池可以在更低的电压下工作。 克尔细胞的另一个缺点是最好的可用材料硝基苯是有毒的。 一些透明晶体也被用于克尔调制，尽管它们具有较小的克尔常数。
在缺乏反转对称性的媒体中，克尔效应通常被更强大的普克尔效应掩盖。 然而，克尔效应仍然存在，并且在许多情况下可以独立于普克尔效应贡献来检测。

克尔电光效应光学克尔效应

光学克尔效应，或AC克尔效应是指其电场由光本身所产生的情况。这导致变异的折射率与辐射光本身的辐照度成正比。这种折射率的变化导致了的非线性光学效应的自聚焦、自相位调制以及调制不稳定性，并且是克尔透镜锁模的基础。此效应仅在非常强烈的光束下才能较明显的表现出来，比如激光。

克尔电光效应磁光克尔效应

在磁光克尔效应，根据反映的磁材料具有轻微旋转偏振平面。它类似于法拉第效应下的两极分化的透光旋转。

克尔电光效应克尔效应实验

克尔电光效应实验原理

各向同性的介质如玻璃，石蜡，水，硝基苯等，在强电场作用下会表现出各向异性的光学性质，表现出双折射现象。折射率差与电场强度的平方成正比，称为克尔效应。在两平行平板之间加上高电压，在电场作用下，由于分子的规律排列，这些介质就表现出象单轴晶体那样的光学性质，光轴的方向就与电场的方向对应。当线偏振光沿着与电场垂直的方向通过介质时，分解为两束线偏振光。一束的光矢量沿着电场方向，另一束的光矢量与电场垂直。

克尔电光效应方法

1.放入克尔盒，并转动至消光位置；
2.接通克尔盒的偏转电源，即可观察到屏幕上有光亮。改变两极板之间的电压，可以观察到屏幕上的光强会随之变化；
3.保持两极板之间的电压不变，旋转克尔盒，同样可以观察到屏幕上光强变化。

克尔电光效应注意事项

内盛某种液体（如硝基苯）的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压后产生横向电场。克尔盒放置在两正交偏振片之间。无电场时液体为各向同性，光不能通过P2。存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光通过P2（见偏振光的干涉）。实验表明 ，在电场作用下，主折射率之差与电场强度的平方成正比。电场改变时，通过P2的光强跟着变化，故克尔效应可用来对光波进行调制。液体在电场作用下产生极化，这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9秒内就可完成极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动作的性质可用来制造几乎无惯性的光的开关——光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获得了重要应用。 [4] 
参考资料
  • 1.    马晓薇, 彭宗仁. 基于克尔电光效应的新型CCD光电测试系统[J]. 高电压技术, 2004, 30(1):19-20.
  • 2.    Weinberger, P. (2008). "John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878" (PDF). Philosophical Magazine Letters. 88 (12): 897–907. Bibcode:2008PMagL..88..897W. doi:10.1080/09500830802526604.
  • 3.    王其祥. 电光效应与电光开关[J]. 激光技术, 1982, 6(1):51-57.
  • 4.    Kerr, John (1875). "A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent". Philosophical Magazine. 4. 50 (332): 337–348.


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法拉第效应




在物理学里，法拉第效应（又叫法拉第旋转，磁致旋光）是一种磁光效应（magneto-optic effect），是在介质内光波与磁场的一种相互作用。法拉第效应会造成偏振平面的旋转，这旋转与磁场朝着光波传播方向的分量呈线性正比关系。
中文名
法拉第效应
外文名
Faraday effect
别    称
磁致旋光效应
表达式
ψ=VBl
提出者
法拉第
提出时间
1845年
应用学科
物理
适用领域范围
磁场

法拉第效应简介

磁光效应是光与具有磁矩的物质共同作用的产物。磁光效应主要有三种，即：法拉第效应、克尔效应、塞曼效应。在光学电流传感器领域，法拉第磁光效应的应用最为广泛。光学电流传感器中磁光介质即磁光效应中具有磁矩的物质，是决定光学电流传感器性能的重要器件。具有磁矩的物质可以分为五大类，而在光学电流传感器领域，顺磁性物质的应用最为广泛。
1845年，法拉第发现：当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。旋转的这个角度称之为法拉第旋转角。 [1] 
也称磁致旋光。在处于磁场中的均匀各向同性媒质内，线偏振光束沿磁场方向传播时，振动面发生旋转的现象。1845年M.法拉第发现在强磁场中的玻璃产生这种效应，以后发现其他非旋光的固、液、气态物质都有这种效应。设磁感应强度为B,光在物质中经过的路径长度为d，则振动面转动的角度为
  
ψ=VBd, (1)
式中V称为费尔德常数,与物质的性质、温度以及光的频率（波长）有关。在一定物质中不论光是沿磁场方向或逆磁场方向传播，振动面的转向都一样，只由磁场方向决定。若转向与磁场方向成右手螺旋关系,该物质的V取为正值，即ψ>0。这样，光来回传播同样距离后，其振动面的转角等于单程转角的两倍。这是磁致旋光与天然旋光的区别（天然旋光情形，在来回传播同样距离后振动面恢复原来方位）。
法拉第效应与塞曼效应有密切联系。磁场影响物质分子（原子）中电子的运动，使无磁场时的一条吸收线对于平行于磁场方向传播的入射光分裂为两条，分别对应于右旋和左旋圆偏振光的吸收线，二者频率略有不同（倒塞曼效应）；而且对于这两种圆偏振光又有分别对应的色散曲线。最简单情形如图a所示(面对磁场的指向观察)。这时,物质对任一频率的两种圆偏振光有不同的折射率n+（左旋）和n_（右旋），从而入射的线偏振光的振动面在传播中发生旋转，转角为（图1）
图1   图1
(2)
图b中画出n_-n+的曲线。可以看出，图中在吸收线之外ψ>0，而在吸收线之间ψ<0；在吸收线区域及其附近，ψ值很大。由于吸收线的裂距2Δω正比于B,在远离吸收线区域n_－n+也近似正比于B，故有式(1)。天然旋光物质中发生磁致旋光现象时，应考虑上述两种效应的叠加。铁磁物质表现出很强的法拉第效应。这时ψ决定于物质中的磁化强度而不是外加磁场。

法拉第效应发现

1845 年法拉第（Michal Faraday）发现当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的YIG等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值。

法拉第效应实验原理

法拉第效应是磁场引起介质折射率变化而产生的旋光现象，实验结果表明，光在磁场的作用下通过介质时，光波偏振面转过的角度（磁致旋光角）与光在介质中通过的长度L及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比，即： [2] 
θ=VBL
式中V称为费尔德常数，它表征物质的磁光特性。几种材料的费尔德常数值如下表。
  
  
法拉第效应实验装置如图所示。由光源产生的复合白光通过小型单色仪后可以获得波长在360～800nm的单色光，经过起偏镜成为单色线偏振光，然后穿过电磁铁。电磁铁采用直流供电，中间磁路有通光孔，保证人射光与磁场B方向一致。根据励磁电流的大小可以求得对应的磁场值。入射光穿过样品后从电磁铁的另一极穿出人射到检偏器上，透过检偏器的光进入光电倍增管，由数显表显示光电流的大小，即出射光强的大小。根据出射光强最大(或最小)时检偏器的位置读数即可得出旋光角。检偏器的角度位置读数也由数显表读出。
由经典电子论对色散的解释可得出介质的折射率和入射光频率w 的关系为：
  
式中ω0是电子的固有频率，磁场作用使电子固有频率改变为（ωL±ω0）（ωL是电子轨道在外磁场中的进动频率）。使折射率变为：
  
由菲涅耳的旋光理论可知，平面偏振光可看成由两个左、右旋圆偏振迭加而成，上式中的正负号反映了这两个圆偏振光折射率有差异，以R n 和L n 表示。它们通过长度为L的介质后产生的光程差为：
  
由它们合成的平面偏振光的磁致旋光角为：
  
通常，nR，nL，和n，相差甚微，故
  
将此代入上式，又因ωL≪ω可略去ωL项，得：
  
可见括号项即为费尔德常数，表示V 值和介质在无磁场时的色散率、入射光波长等有关。由马吕斯定律可知，平面偏振光通过磁场中的介质和检偏器后的光强为：
  
α为检偏器和起偏器透光轴的夹角，θ为法拉第磁致旋光角。当α=π/4时，
  
若磁场变化则：
  
表示此时由检偏器输出的光强将随产生磁场的电流i（调制电流）线性地变化，这就是光强度的磁光调制原理。在α=π/4时，dI/d= 1，即此时调制系统的信号检测灵敏度最高，失真最小。

法拉第效应分类

描述物体磁性强弱程度的一个重要物理量是磁化强度矢量M，即单位体积内各个磁畴磁矩的矢量和。磁化强度M与磁场强度H的关系表示为：
M =χH式中 χ 为物体的磁化率。
按照物质磁化率 χ 的大小和符号、物质磁性来源和磁结构特性，物质磁性可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性五大类，下面分别简述五大类磁性的基本特点。
① 抗磁性
物质由原子和分子组成。自由原子的磁矩有三个主要来源：一是电子的自旋，二是电子绕原子核旋转的轨道角动量，三是电子在外加磁场中旋转所感生的轨道磁矩变化。第三个来源是产生抗磁性的原因，前两个来源不同程度上对顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性有所贡献。可以看出，所有物质都存在第三个来源，因此抗磁性在所有物质中都存在。由于抗磁性极其微弱，故在具有其他磁性的物质中抗磁性常常被掩盖。
抗磁性亦称为逆磁性。电子在外磁场中运动所感生的磁矩，其方向与外磁场相反。
② 顺磁性
物质具有顺磁性的必要条件是组成物质的原子、分子或离子具有固有磁矩。但这些原子（分子或离子）磁矩之间相互作用十分微弱，在热运动的影响下，基本上处于无序排列状态；温度越高，排列越无序。物质磁化以后，原子（分子或离子）磁矩就有沿外磁场方向排列的趋势，外磁场越大，排列越趋整齐。由此可见，顺磁性物质的磁化强度M 与外磁场 H ，方向相同，不过仅显示微弱的磁性。
③ 铁磁性
铁磁性物质原子或离子的电子之间存在交换作用，这种相互作用十分强大，与其等效的“磁场”称为分子场。如此大的分子场足以克服热运动的影响，使原子（离子）磁矩相互平行排列（交换积分 A > 0）。随着温度的升高，热运动渐趋剧烈，磁矩平行排列趋势逐渐变弱，
但仅是量变过程。当温度高于居里温度即CT >T时，热运动能大于交换作用能，从而导致原子（离子）磁矩混乱排列，此时铁磁性转变为顺磁性。
铁磁性物质是一类重要的磁性材料，其中有一些也是优良的磁光材料。
④ 反铁磁性
绝大多数反铁磁性物质，如 MnO 和 NiO 等都是导电性很差的化合物，其阳离子通常为过渡族金属离子，近邻配位离子为阴离子。金属离子之间距离较大，它们的电子壳层几乎不存在交叠。因此，反铁磁性物质的原子或离子磁矩之间存在间接交换作用，而不是如铁磁性物质那样的直接交换作用。这种相互作用十分强，但是反映间接交换作用大小的量——间接交换积分A <0间接，导致相邻金属离子磁矩之间相互反平行。相同晶格位置上的平行离子磁矩组成一个压晶格，称为磁亚晶格，反铁磁性物质中一般存在两个或两个以上磁亚晶格。
反铁磁性物质的相邻磁亚晶格的磁矩之间相互反平行，因此对外并不显示磁性。在外磁场作用下，也只能出现微弱的磁性。由反铁磁性转变为顺磁性的磁相变点NT 称为奈尔温度。在
NT 处，χ最大。
⑤ 亚铁磁性
与反铁磁性物质一样，亚铁磁性物质中具有两个或两个以上磁亚晶格。所不同的是，相邻磁亚晶格的原子（离子）磁矩方向相反，但大小不等，从而存在未抵消的磁矩，因此亚铁磁性物质中存在相当强的磁性；有许多特性，如技术磁化过程的不少特征与铁磁性物质十分相似。 亚铁磁性物质的磁化率 χ > 0，且很大。除钡铁氧体等永磁材料外，亚铁磁性材料大多在高频区域应用，对于χ特性的要求不同于低频区域，有时对χ大小的要求显得并不重要。亚铁磁性物质的磁相变点称为奈尔点。
⑥ 超顺磁性
随着纳米材料的诞生和发展，一种新型的磁性物质出现了，称为“超顺磁性材料”。如果磁性材料是一单畴颗粒的集合体，对于每一个颗粒而言，由于磁性原子或离子之间的交换作用很强，磁矩之间将平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向异性所决定的易磁化方向上，但是颗粒与颗粒之间由于易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同。

法拉第效应应用

法拉第效应可以应用于测量仪器。例如，法拉第效应被用于测量旋光度、或光波的振幅调变、或磁场的遥感。在自旋电子学里，法拉第效应被用于研究半导体内部的电子自旋的极化。法拉第旋转器（Faraday rotator）可以用于光波的调幅，是光隔离器与光循环器（optical circulator）的基础组件，在光通讯与其它激光领域必备组件。具体应用如下：
（1） 量糖计（自然旋光）
（2） 磁光开关与磁光调制器（点调制与空间调制）
（3） 磁光光盘：光信息存储
（4） 磁光电流传感器（或互感器）：测量大电流
（5） 磁光隔离器：在光通信和级联式激光器系统中用以隔离后续系统反馈的光信号
（6） 磁光偏频器：零锁区激光陀螺中通过产生偏频来消除激光陀螺的闭锁现象
法拉第效应可用于混合碳水化合物成分分析和分子结构研究。在激光技术中这一效应被利用来制作光隔离器和红外调制器。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。
因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动，当光的传播方向相反时，偏振面旋转角方向不倒转，所以法拉第效应是非互易效应。这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。许多微波、光的隔离器、环行器、开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。

光学仪器

电力通论

参考资料
  • 1.    林森. 基于法拉第磁光效应的光学电流传感器特性研究[D]. 重庆大学 2010
  • 2.    Longair, Malcolm． High Energy Astrophysics： Cambridge University Press，1992


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法拉第磁光效应  



法拉第磁光效应是指：通过磁光材料时它的偏振面将发生旋转旋转角θ正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分θ=V·l式中V——材料的Verdet常数
中文名
法拉第磁光效应
概    念
一束线偏振光在磁场作用下
时    间
 1845年
发现者
由M.法拉第发现

目录

法拉第磁光效应定义

法拉第磁光效应。当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。



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磁-光效应 




磁光效应是指强磁场对光和物质的相互作用的影响，随着激光和光电子学等新的科学技术的出现和发展，磁光效应越来越受到重视，在研究的广度和深度上都有了极大的提升。
中文名
磁光效应
外文名
magneto-optical effect
提出者
法拉第

磁-光效应背景及简介

磁光效应 [1]  是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。 
　　光与磁场中的物质，或光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象，主要包括法拉第效应、科顿-穆顿效应、克尔磁光效应、塞曼效应和光磁效应，其中最为人所熟知的是磁光法拉第效应， 它指的是一束线偏振光通过某种透明介质时，透射光的偏振化方向与入射光的偏振化方向相比，转过了一个角度，通常把这个角度叫做法拉第转角.。
  
磁光存储技术是建立在磁光效应基础上的，与磁光存储技术直接相关的是磁光克尔效应。磁光信息记录在介质上以后，主要是利用磁光克尔效应读出信息。磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而以椭圆的长轴为标志的“ 偏振面” 相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度通常被称为磁光克尔转角。

磁-光效应法拉第效应

线偏振光透过放置磁场中的物质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的现象。也称法拉第旋转或磁圆双折射效应,简记为MCB。一般材料中，法拉第旋转（用旋转角θF表示）和样品长度l、磁感应强度B有以下关系 θF=VlB,
V是与物质性质、光的频率有关的常数,称为费尔德常数。
因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉莫尔进动，当光的传播方向相反时，偏振面旋转角方向不倒转，所以法拉第效应是非互易效应。这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。许多微波、光的隔离器、环行器、开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。利用法拉第效应，还可实现光的显示、调制等许多重要应用。

磁-光效应克尔磁光效应

线偏振光入射到磁化媒质表面反射出去时，偏振面发生旋转的现象。也叫克尔磁光效应或克尔磁光旋转。这是继法拉第效应发现后，英国科学家J.克尔于1876年发现的第二个重要的磁光效应。
按磁化强度和入射面的相对取向，克尔磁光效应包括三种情况：
  • 极向克尔效应, 即磁化强度 M 与介质表面垂直时的克尔效应;
  • 横向克尔效应, 即 M 与介质表面平行, 但垂直于光的入 射面时的克尔效应;
  • 纵向克尔效应, 即 M 既平行于 介质表面又平行于光入射面时的克尔效应（如下图所示）.
  
在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。
法拉第效应和克尔效应示意图   法拉第效应和克尔效应示意图
极向和纵向克尔磁光旋转都正比于样品的磁化强度。通常极向克尔旋转最大、纵向次之。偏振面旋转的方向与磁化强度方向有关。横向克尔磁光效应中实际上没有偏振面的旋转，只是反射率有微小的变化，变化量也正比于样品的磁化强度。1898年P.塞曼等人证实了横向克尔磁光效应的存在。克尔磁光效应的物理基础和理论处理与法拉第效应的相同，只是前者发生在物质表面，后者发生在物质体内；前者出现于仅在有自发磁化的物质（铁磁、亚铁磁材料）中，后者在一般顺磁介质中也可观察到。它们都与介电张量非对角组元的实部、虚部有关。

磁-光效应塞曼效应

塞曼效应是荷兰物理学家塞曼在 1896 年发现的。他发现，发光体放在磁场中时，光谱线发生分裂的现象。是由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用，或使能级分裂才产生的。其中谱线分裂为2条(顺磁场方向观察)或3条（垂直于磁场方向观察）的叫正常塞曼效应；3条以上的叫反常塞曼效应（见塞曼效应）。
塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径。塞曼效应也可以用来测量天体的磁场。1908 年美国天文学家海尔等人利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。

磁-光效应磁光效应

当左、右旋圆偏振光在置于磁场中的媒质内传播而有不同的吸收系数时，入射的线偏振光传播一段距离后会变为椭圆偏振光，这个效应叫法拉第椭圆度效应或磁圆二向色性效应,简记为MCD。法拉第椭圆度和法拉第旋转均由媒质的介电张量非对角组元的实部和虚部决定。

磁-光效应科顿－穆顿效应

又称磁双折射效应，简记为MLB。科顿－穆顿效应是 1907 年科顿和穆顿发现的。。佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多。当光的传播方向与磁场垂直时，平行于磁场方向的线偏振光的相速不同于垂直于磁场方向的线偏振光的相速而产生的双折射现象。其相位差正比于两种线偏振光的折射率之差，同磁场强度大小的二次方成正比
当光的传播方向与外磁场方向垂直时，媒质对偏振方向不同的两种光的吸收系数也可不同。这就是磁的线偏振光的二向色性，称磁线二向色性效应，简记为MLD。
MCD、MLB、MLD的物理起因、宏观表述及量子力学处理都与法拉第效应类同(实际上可同时完成)。MLB和MLD通常比MCB和MCD要弱得多，但它们与磁场强度（磁化强度）的二次方成正比。因此对这些效应的测量除能得到物质中能级结构的信息外，还能用于微弱磁性变化（单原子层的磁性）的研究。

磁-光效应磁光效应

克尔磁光效应的最重要应用就是观察铁磁材料中难以捉摸的磁畴。因不同磁畴区的磁化强度的不同取向使入射偏振光产生方向、大小不同的偏振面旋转，再经过检偏器后就出现了与磁畴相应的明暗不同的区域。利用现代技术,不但可进行静态观察,还可进行动态研究。这些都导致一些重要发现和关于磁畴、磁学参数的有效测量。

磁-光效应光磁效应

光照射物质后,物质磁性（如磁化率、磁晶各向异性、磁滞回线等）发生变化的现象。早在1931年就有光照引起磁化率变化的报道，但直到1967年R.W.蒂尔等人在掺硅的钇铁石榴石 (YIG)中发现红外光照射引起磁晶各向异性变化之后才引起人们的重视。这些效应多与非三价离子的代换有关，这种代换使亚铁磁材料中出现了二价铁离子，光照使电子在二、三价铁离子间转移，从而引起磁性的变化。因此，光磁效应是光感生的磁性变化，也称光感效应。当然这只是一种机制，其他机制的光磁效应在光存储、光检测、光控器件方面的应用还在研究之中。

磁-光效应磁光效应的应用

虽然法拉第早在 1845 年就发现了磁光效应，但在其后相当长的时间内并未获得实质性的应用，只是不断在发现新的磁光效应和建立初步的磁光理论。直到 1956 年，贝尔实验室②③在偏光显微镜下，应用透射光观察到钇铁石榴 单晶材料中的磁畴结构，才使得磁光效应的研究向应用领域发展 [2]  。特别是上世纪60年代，由于激光的诞生及光电子技术的开发，对物质的磁性和磁光性能的研究才走上快速发展道路。

磁-光效应磁光隔离器

随着光纤通信、光信息处理和磁光记录等技术的高速发展，光源的稳定性和鲁棒性就显得至关重要。各种反射光都会严重干扰光源的正常输出，从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器通过防止反向传输的干扰光对光源的影响，提高系统的工作稳定性，实现正向通过，反向隔离的目的。

磁-光效应磁光调制器

磁光调制器是利用偏振光，通过磁光介质，透射光的偏振面发生旋转来对光束进行调制的一种工具。磁光调制器可用作红外检测器的斩波器，红外辐射高温计、高灵敏度偏振计等。磁光调制器的工作原理是将电信号先转换成与之对应的交变磁场，再由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强等参的目的。

磁-光效应磁光传感器

光纤电流传感器具有很好的绝缘性和抗干扰能力以及较高的测量精度，容易小型化。磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。光纤电流传感器是根据法拉第效应原理，当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，光的偏振方向发生改变来实现传感器的功能。磁光效应传感器作为一种特定用途的传感器，能够在特定的环境中发挥自己的功能，也是一种非常重要的工业传感器。

磁-光效应磁光环行器

随着光纤通信技术在通信领域的应用，具有光的非互易性和自光行进方向耦合端循环的磁光环行器被广泛应用于光纤通信技术中。利用环行器可在一根光纤内传输两个不同方向的信号，从而大大减小了系统的体积和成本。

磁-光效应磁光存储记录

磁光记录是近年来发展起来的高新技术，是存储技术的一大飞跃发展。磁光记录是目前最先进的信息存储技术，它兼有磁记录和光记录两者的优点，磁光记录兼有光记录的大容量和磁记录的可重写性。磁光记录利用磁光克尔效应对记录信号进行读出。
磁光存储记录   磁光存储记录

磁-光效应总结与展望

随着时代的进步、科学技术的发展，对磁光特性的研究必将日益深入，新的磁光材料 [3]  也会不断被发现，随着计算机科学技术的迅速发展, 磁存储技术获得巨大进步 , 无论是材料还是技术均日渐成熟，同时越来越多软件的开发, 对信息存储设备提出 更高记录密度、更大存储容量、体积小、成本低的新要求.磁光学必将获得更大的发展，磁光材料、器件和测量技术将会展现出更广阔的应用空间。

电力通论

参考资料
  • 1.    刘公强等．磁光学：上海科学技术出版社，2001
  • 2.    O'handley R C. Modern magnetic materials: principles and applications[M]. New York: Wiley, 2000.
  • 3.    Hashimoto S, Ochiai Y. Co/Pt and Co/Pd multilayers as magneto-optical recording materials[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1990, 88(1): 211-226.

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磁光克尔效应 



将线偏振光（由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光所组成）入射于磁性材料反射后，由于左旋圆偏振光与右旋圆偏振光在样品中传播速率不同而产生相位差，再加上左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的吸收程度不同而造成振幅不相同，经过样品反射后，转为椭圆偏振光的现象，称为磁光克尔效应。
中文名
磁光克尔效应
外文名
Magneto-optical Kerr effect
简    称
MOKE
分类标准
按磁化方向不同进行分类
主要参数
克尔旋转角、克尔椭偏率
应    用
磁光克尔测量系统

磁光克尔效应发现历程

在1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转的效应，随后他在外加磁场之金属 表面上做光反射的实验，但由于他所谓的表面并不够平整，因而实验结果不 能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振化光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和 Bader两位学者进行铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功地得到一原子层厚度磁性物质之磁滞回线，并且提出了以SMOKE(surface magneto-optic Kerr effect的缩写)来作为表面磁光克尔效应，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法致磁性解析灵敏度达一原子层厚度，且仪器配置合于超高真空系统之工作，因而成为表面磁学的重要研究方法。 表面磁光克尔效应实验系统是表面磁性研究中的一种重要手段，它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜的相变行为等方面的研究中都有重要应用。应用该系统可以自动扫描磁性样品的磁滞回线，从而获 得薄膜样品矫顽力、磁各异性等方面的信息。
磁光信息存储是近年发展起来的新技术，是对传统信息存储技术的革新。开发更多、性能更加优越，而且实用的磁光介质材料是当前信息存储领域的一项重要的任务。测量磁光介质的克尔转角则是研究这些材料的基本手段和方法。对于非开发人员来讲，测量磁光克尔转角的实验一方面能够提高进行物理综合实验的能力，另一方面对信息存储的新技术将有更加深刻的理解，能启发他们利用物理原理在信息存储技术等领域提出新的设想，做出新的贡献。 [1] 

磁光克尔效应效应原理

当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，部分光线将发生透射，透射光线的偏振面与入射光的偏振面相比有一转角，这个转角被叫做磁光法拉第转角(
)。而反射光线的偏振面与入射光的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角(
)，这种效应叫做磁光克尔效应。
磁光克尔效应包括三种情况：
(1)纵向克尔效应，即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应；克尔信号的强度随入射角的减小而减小，垂直入射时为0。纵向克尔信号中克尔旋转角和克尔椭偏率都比极向克尔信号小一个数量级。从而纵向克尔信号的探测比极向难。但对于薄膜样品来说，易磁轴一般平行于样品表面，纵向配置下样品的磁化强度才容易达到饱和，因此纵向克尔效应对平面内的磁化相当敏感。
(2)极向克尔效应，即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应；通常情况下极向克尔效应的强度随入射角的减小而增大，在垂直入射时达到最大。并且克尔旋转角最大最明显。
(3)横向克尔效应，即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应；其反射光的偏振状态没有变化，因为这种配置下光电场与磁化强度矢积的方向永远没有与光传播方向相垂直的分量。只有p偏振光（偏振方向平行于入射面）入射时才有一个很小的反射率的变化（一般来讲只造成长度的跳变，不会造成极化平面的旋转）。 [2] 
从左到右分别为极向克尔效应、纵向克尔效应、横向克尔效应   从左到右分别为极向克尔效应、纵向克尔效应、横向克尔效应 [2]
对于已经写入了信息的磁光介质，要读出所写的信息则需要利用磁光克尔效应来进行。具体方法是：将一束单色偏振光聚焦后照射在介质表面上的某点，通过检测该点处磁畴的磁化方向来辨别信息的“0”或“1”。例如，被照射的点为正向磁化，则在该点的反射光磁光克尔转角应为
，如图《线偏振光经磁光介质薄膜反射时偏振面发生旋转》所示，相反被照射的点为反向磁化，则在该点的反射光磁光克尔转角应为
。因此，如果偏振分析器的轴向恰好调整为与垂直于记录介质的平面成
夹角，那么在介质上反向磁化点的反射光线将不能通过偏振分析器，而在介质的正向磁化处，反射光则可以通过偏振分析器。这表明反射光的偏振面旋转了
的角度．这样，如果我们在经过磁光介质表面反射的光线后方，在通过偏振分析器后的光路上安放一光电检测装置(例如光电倍增管)，就可以很方便地辨认出反射点是正向磁化还是反向磁化，也就是完成“0”和“1”的辨认。由此可见，磁光克尔转角在磁光信息读出时扮演着十分重要的角色。如果把磁光介质附着在可旋转的圆盘表面，就构成了磁光盘。磁光盘旋转时，如果同时有单色偏振光聚焦在磁光盘表面，就可实现光线的逐点扫描，即信息被连续读出。
线偏振光经磁光介质薄膜反射时偏振面发生旋转   线偏振光经磁光介质薄膜反射时偏振面发生旋转

磁光克尔效应测量装置

测量系统由以下5部分组成：
(1)光学减震平台。
(2)光路系统，包括输入光路与接收光路。激光器用普通半导体激光器，起偏和检偏棱镜都用格兰一汤普逊棱镜，光电检测装置由孔状可调光阑、干涉滤色片和硅光电池组成。格兰一汤普逊棱镜的机械调节结构由角度粗调和螺旋测角组成，测微头的线位移转变为棱镜转动的角位移。测微头分度值为0.01 mm，转盘分度值为1，通过测微头线位移的角位移定标可知其测量精度在2 左右。
(3)励磁电源主机和可程控电磁铁。励磁电源主机可选择磁场自动和手动扫描。
(4)前级放大器和直流电源组合装置。a)将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大，并送入信号检测主机中。b)将霍耳传感器探测到的磁场强度信号作前级放大并送入检测装置。c)为激光器提供精密稳压电源。
(5)信号检测主机。将前置放大器传来的克尔信号及磁场强度信号进行二级放大，分别经A/D转换后送计算机处理，同时用数字电压表显示克尔信号及磁场强度信号的大小。D/A提供周期为20 s、40 s、80 S准三角波，作为励磁电流自动扫描信号。 [3] 
磁光克尔测量系统简图   磁光克尔测量系统简图

磁光克尔效应应用前景

磁光克尔法是测量材料特性特别是薄膜材料物性的一种有效方法，表面磁光克尔效应作为表面磁学的重要实验手段，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜间的相变行为等问题的研究。
参考资料
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  • 2.    MOKE原理说明  ．WEISTRON兰道科技
  • 3.    朱伟荣，董国胜．一种测量薄膜磁性的表面磁光克尔效应装置[J]．真空科学与技术报，1997(17)：243-246.



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光的干涉 



光的干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773～1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉 [1]  。
两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，证实了光具有波动性。
中文名
光的干涉
外文名
Interference of Light
发现时间
1801年
发现者
托马斯·杨
现    象
在区域削弱，形成稳定强弱分布

目录

光的干涉现象简介

干涉图样

干涉图样

若干个光波（成员波）相遇时产生的光强分布不等于由各个成员波单独造成的光强分布之和，而出现明暗相间的现象。例如在杨氏双孔干涉（见杨氏干涉实验）中，由每一小孔H1或H2出来的子波就是一个成员波，当孔甚小时，由孔H1出来的成员波单独造成的光强分布 I1(x)在相当大的范围内大致是均匀的；单由从孔H2出来的成员波造成的光强分布I2(x)亦如此。二者之和仍为大致均匀的分布。而由两个成员波共同造成的光强分布I(x)，则明暗随位置x的变化十分显著，显然不等于I1(x)+l2(x) [2]  。
每个成员波单独造成大致均匀的光强分布，这相当于要求各成员波本身皆没有明显的衍射，因为衍射也会造成明暗相间的条纹（见光的衍射）。所以，当若干成员波在空间某一区域相遇而发生干涉时，应该是指在该区域中可以不考虑每个成员波的衍射。
应注意，前面所说的光强并不是光场强度（正比于振幅平方）的瞬时值，而是在某一段时间间隔Δt内光场强度的平均值或积分值；Δt的长短视检测手段或装置的性能而定。例如，人眼观察时，Δt就是视觉暂留时间；用胶片拍摄时，Δt则为曝光时间。
干涉现象通常表现为光场强度在空间作相当稳定的明暗相间条纹分布；有时则表现为，当干涉装置的某一参量随时间改变时，在某一固定点处接收到的光强按一定规律作强弱交替的变化。
光的干涉现象的发现，在历史上对于由光的微粒说到光的波动说的演进起了不可磨灭的作用。1801年，T.杨提出了干涉原理并首先做出了双狭缝干涉实验，同时还对薄膜形成的彩色作了解释。1811年，D.F.J.阿喇戈首先研究了偏振光的干涉现象。现代，光的干涉已经广泛地用于精密计量、天文观测、光弹性应力分析、光学精密加工中的自动控制等许多领域。

光的干涉产生条件

光的干涉综述

只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。

光的干涉具体方法

光的干涉   
光的干涉

为使合成波场的光强分布在一段时间间隔Δt内稳定，要求：
①各成员波的频率v（因而波长λ ）相同；
②任两成员波的初位相之差在Δt内保持不变。条件②意味着，若干个通常独立发光的光源，即使它们发出相同频率的光，这些光相遇时也不会出现干涉现象。原因在于：通常光源发出的光是初位相作无规分布的大量波列，每一波列持续的时间不超过10秒的数量级，就是说，每隔10秒左右，波的初位相就要作一次随机的改变。而且，任何两个独立光源发出波列的初位相又是统计无关的。由此可以想象，当这些独立光源发出的波相遇时，只在极其短暂的时间内产生一幅确定的条纹图样，而每过10秒左右，就换成另一幅图样，迄今尚无任何检测或记录装置能够跟上如此急剧的变化，因而观测到的乃是上述大量图样的平均效果，即均匀的光强分布而非明暗相间的条纹。不过，近代特制的激光器已经做到发出的波列长达数十公里，亦即波列持续时间为10秒的数量级。因此，可以说，若采用时间分辨本领Δt比10秒更短的检测器（这样的装置是可以做到的），则两个同频率的独立激光器发出的光波的干涉，也是能够观察到的。
另外，以双波干涉为例还要求：
③两波的振幅不得相差悬殊；
④在叠加点两波的偏振面须大体一致。
当条件③不满足时，原则上虽然仍能产生干涉条纹，但条纹之明暗区别甚微，干涉现象很不明显。条件④要求之所以必要是因为，当两个光波的偏振面相互垂直时，无论二者有任何值的固定位相差，合成场的光强都是同一数值，不会表现出明暗交替（欲观察明暗交替，须借助于偏振元件）。
以上四点即为通常所说的相干条件。满足这些条件的两个或多个光源或光波，称为相干光源或相干光波。

光的干涉产生相干光波

光的干涉综述

由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹 [3]  。
这里补充一下托马斯·杨当年获取相干光的方法：利用在双孔之前加一小孔S，根据惠更斯原理，经小孔S衍射的光成为一球面波，从而获得相干光。一般采用相干性很好的激光来进行实验，不需要小孔S，直接将激光照射在双孔上即可获得干涉图样。

光的干涉分波阵面法

分波阵面法。将点光源的波阵面分割为两部分，使之分别通过两个光具组，经反射、折射或衍射后交迭起来，在一定区域形成干涉。由于波阵面上任一部分都可看作新光源，而且同一波阵面的各个部分有相同的位相，所以这些被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源，不论点光源的位相改变得如何快，这些光源的初相位差却是恒定的。杨氏双缝、菲涅耳双面镜和洛埃镜等都是这类分波阵面干涉装置。

光的干涉分振幅法

分振幅法。当一束光投射到两种透明媒质的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。这方法叫做分振幅法。最简单的分振幅干涉装置是薄膜，它是利用透明薄膜的上下表面对入射光的依次反射，由这些反射光波在空间相遇而形成的干涉现象。由于薄膜的上下表面的反射光来自同一入射光的两部分，只是经历不同的路径而有恒定的相位差，因此它们是相干光。另一种重要的分振幅干涉装置，是迈克耳孙干涉仪。

光的干涉干涉条纹

在各种干涉条纹中，等倾干涉条纹和等厚干涉条纹是比较典型的两种。以上假定光源发出的是单色光（或者用滤光片从光源所发的许多波长的光中取出某一单色光）。当光源发出的许多波长的光皆发生干涉时，会形成彩色干涉条纹（见白光条纹）。

光的干涉干涉分类

光的干涉双光波干涉

即两个成员波的干涉。杨氏双孔和双缝干涉、菲涅耳双镜干涉及牛顿环等属于此类。双光波干涉形成的明暗条纹都不是细锐的，而是光强分布作正弦式的变化，这就是双光波干涉的特征 [4]  。多光波干涉则可形成细锐的条纹。

光的干涉多光波干涉

光的干涉

光的干涉

即多于两个成员波的干涉。陆末-格尔克片干涉属于此类。图中A为平行平板玻璃，一端开有倾斜的入射窗BC。从S发出的源波经BC进入玻璃片后在其上、下表面间多次反射。每次在上表面反射时，皆同时有一波折射入空气中。所有各次折射入空气中的波就是从同一源波按分振幅方式造成的一组成员波。在透镜L 的焦平面Π上观测干涉条纹。相邻两波在P点的位相差为式中λ 为光波在真空中的波长，n为玻璃的折射率，t为玻璃片厚度，β 为玻璃片内的光程辅助线与表面法线的夹角。在接收面光强分布的条纹十分细锐，这是多光波干涉的特征。

光的干涉偏振光的干涉

在以上所举的干涉中，各成员波在考察点处可认为偏振方向大体一致。当参与干涉的两个成员波的偏振面夹有一定角（例如 90°）时，如何产生干涉见偏振光的干涉。

光的干涉应用

公式2

公式2


根据光的干涉原理可以进行长度的精密计量。例如用迈克耳孙干涉仪校准块规的长度。其方法如下，用单色性很好的激光束（波长为 λ）作为光源，并在迈克耳孙干涉仪的可动镜臂上装有精密的触头，先使触头接触块规的一端，然后撤去块规，令可动镜移动。这时，每移动λ/2，两臂中光路的光程差就增加λ，从而置于干涉视场中心的检测器就输出一次强弱变化，使记数器的数字增加 1。直到触头接触基面（块规的另一端面原来放在基面上）为止。若记数器总共增加的数为n,则测得块规的长度为精密的装置可以把n精确到±0.1以下，于是测量长度的误差不超过±λ/20。
利用干涉现象还可以检测加工过程中工件表面的几何形状与设计要求之间的微小差异。例如要加工一个平面，则可首先用精密工艺制造一个精度很高的平面玻璃板（样板）。使样板的平面与待测件的表面接触，于是此二表面间形成一层空气薄膜。若待测表面确是很好的平面，则空气膜到处等厚或者是规则的楔形。当光照射时，薄膜形成的干涉光强呈一片均匀或是平行、等间隔的直条纹。如果待测表面在某些局域偏离了平面，则此处的干涉光强与别处不同或者干涉条纹在该处呈现弯曲。从条纹变异的情况可以推知待测表面偏离平面的情况。偏离量为波长的若干分之一是很容易观察得到的。

光的干涉说明

①在交迭区域内各处的强度如果不完全相同而形成一定的强弱分布，显示出固定的图象叫做干涉图样。也即对空间某处而言，干涉迭加后的总发光强度不一定等于分光束的发光强度的迭加，而可能大于、等于或小于分光束的发光强度，这是由波的叠加原理决定的（即波峰和波峰相加为两倍的波峰）。
②通常的独立光源是不相干的。这是因为光的辐射一般是由原子的外层电子激发后自动回到正常状态而产生的。由于辐射原子的能量损失，加上和周围原子的相互作用，个别原子的辐射过程是杂乱无章而且常常中断，持续对同甚短，即使在极度稀薄的气体发光情况下，和周围原子的相互作用已减至最弱，而单个原子辐射的持续时间也不超过10^-8秒。当某个原子辐射中断后，受到激发又会重新辐射，但却具有新韵初相位。这就是说，原子辐射的光波并不是一列连续不断、振幅和频率都不随时间变化的简谐波，即不是理想的单色光，而是如图所示，在一段短暂时间内(如τ=10-8s)保持振幅和频率近似不变，在空间表现为一段有限长度的简谐波列。此外，不同原子辐射的光波波列的初相位之间也是没有一定规则的。这些断续、或长或短、初相位不规则的波列的总体，构成了宏观的光波。由于原子辐射的这种复杂性，在不同瞬时迭加所得的干涉图样相互替换得这样快和这样地不规则，以致使通常的探测仪器无法探测这短暂的干涉现象。
尽管不同原子所发的光或同一原子在不同时刻所发的光是不相干的，但实际的光干涉对光源的要求并不那么苛刻，其光源的线度远较原子的线度甚至光的波长都大得多，而且相干光也不是同一时刻发出的。这是因为实际的干涉现象是大量原子发光的宏观统计平均结果，从微观上来说，光子只能自己和自己干涉，不同的光子是不相干的；但是，宏观的干涉现象却是大量光子各自干涉结果的统计平均效应。
③由于六十年代激光的问世，已使光源的相干性大大提高，同时快速光电探测仪器的出现，探测仪器的时间响应常数缩短，以至可以观察到两个独立光源的干涉现象。另，在高中课本中，已经有光的干涉实验，用激光或者同一灯泡通过双缝进行实验）。
1963年玛格亚和曼德用时间常数为10^-8～10^-9秒的变像管拍摄了两个独立的红宝石激光器发出的激光的干涉条纹。可目视分辨的干涉条纹有23条。
④相干光的获得。对于普通的光源，保证相位差恒定成为实现干涉的关键。为了解决发光机制中初相位的无规则迅速变化和干涉条纹的形成要求相位差恒定的矛盾，可把同一原子所发出的光波分解成两列或几列，使各分光束经过不同的光程，然后相遇。这样，尽管原始光源的初相位频繁变化，分光束之间仍然可能有恒定的相位差，因此也可能产生干涉现象。


光的干涉

光的干涉

⑤光的干涉现象是光的波动性的最直接、最有力的实验证据。光的干涉现象是牛顿微粒模型根本无法解释的，只有用波动说才能圆满地加以解释。由牛顿微粒模型可知，两束光的微粒数应等于每束光的微粒之和，而光的干涉现象要说明的却是微粒数有所改变，干涉相长处微粒数分布多；干涉相消处，粒子数比单独一束光的还要少，甚至为零。这些问题都是微粒模型难以说明的。再从另一角度来看光的干涉现象，它也是对光的微粒模型的有力的否定。因为光总是以3×10^8m/s的速度在真空中传播，不能用人为的方法来使光速作任何改变(除非在不同介质中，光速才有不同。但对于给定的一种介质，光速也是一定的)。干涉相消之点根本无光通过。那么按照牛顿微粒模型，微粒应该总是以3×10^8m/s的速度作直线运动，在干涉相消处，这些光微粒到那里去了呢?如果说两束微粒流在这些点相遇时，由于碰撞而停止了，那么停止了的(即速度不再是3×10^8m/s,而是变为零)光微粒究竟是什么东西呢?如果说是移到干涉相长之处去了，那么又是什么力量使它恰恰移到那里去的呢?所有这些问题都是牛顿微粒模型根本无法回答的。然而波动说却能令人信服地解释它，并可由波在空间按一定的位相关系迭加来定量地导出干涉相长和相消的位置以及干涉图样的光强分布的函数解析式。
因此干涉现象是波的相干迭加的必然结果，它无可置疑地肯定了光的波动性，我们还可进一步把它推广到其他现象中去，凡有强弱按一定分布的干涉图样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的最可靠最有力的实验证据。
参考资料
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  • 2.    王振德.现代科技百科全书:[M].桂林:广西师范大学出版社,
  • 3.    [英]艾伦·艾萨克斯.麦克米伦百科全书:[M].杭州:浙江人民出版社
  • 4.    徐汉屏. “光的干涉”分类例析[J]. 中学生数理化(高考数学), 2010(2).

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光的衍射 



光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffraction of light） [1]  。
光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。
中文名
光的衍射
外文名
Diffraction of light
意    义
证明了光具有波动性
属    于
波动光学

目录

光的衍射简介

光波遇到障碍物以后会或多或少地偏离几何光学中直线传播定律的现象。几何光学表明，光在均匀媒质中按直线定律传播，光在两种媒质的分界面按反射定律和折射定律传播。但是，光是一种电磁波，当一束光通过有孔的屏障以后，其强度可以波及到按直线传播定律所划定的几何阴影区内，也使得几何照明区内出现某些暗斑或暗纹 [2]  。总之，衍射效应使得障碍物后空间的光强分布既区别于几何光学给出的光强分布，又区别于光波自由传播时的光强分布，衍射光强有了一种重新分布。衍射使得一切几何影界失去了明锐的边缘。意大利物理学家和天文学家F.M.格里马尔迪在17世纪首先精确地描述了光的衍射现象，150年以后，法国物理学家A.-J.菲涅耳于19世纪最早阐明了这一现象。

光的衍射相关介绍

光的衍射

光的衍射

光的衍射

光的衍射

光波遇到障碍物以后会或多或少地偏离几何光学传播定律的现象。

包括：单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑
光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象。这种现象叫光的衍射。
夫琅禾费衍射

夫琅禾费衍射

衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样。实验室里为了观察衍射现象，总是由光源、衍射屏和接收衍射图样的屏幕(称为接收屏)组成一个衍射系统。为了研究的方便，通常根据衍射系统中三者的相互距离的大小，将衍射现象分为两类，一类称为菲涅耳衍射，另一类称为夫琅禾费(J.Fraunhofer,1787- 1826)衍射。所谓菲涅耳衍射，就是当光源到衍射屏的距离或接收屏到衍射屏的距离不是无限大时，或两者都不是无限大时所发生的衍射现象。可见在菲涅耳衍射中，入射光或衍射光不是平行光，或两者都不是平行光，如图13-15(a)所示。所谓夫琅禾费衍射，就是当光源到衍射屏的距离和接收屏到衍射屏的距离都是无限大时，所发生的衍射现象。可见在夫琅禾费衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一点的光都是平行光，如图13-15(b)所示。夫琅禾费衍射的条件在实验室里可借助于透镜实现。将光源放置在会聚透镜L1的焦点上，则从L1透射的光，即衍射孔的入射光就是平行光；同时将接收屏放置在会聚透镜L2的焦面上，则到达接收屏上任意一点的衍射光也是平行光。


光的衍射产生条件

产生衍射的条件是：由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，所以当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射。用单色光照射时效果好一些，如果用复色光，则看到的衍射图案是彩色的 [3]  。

光的衍射光的特点

光的衍射现象的观察和特点。衍射是一切波所共有的传播行为。日常生活中声波的衍射、水波的衍射、广播段无线电波的衍射是随时随地发生的，易为人觉察。但是，可见光的衍射现象却不易为人们所觉察，这是因为可见光的波长很短，以及普通光源是非相干的面光源。当用一束强光照明小孔、圆屏、狭缝、细丝、刀口、直边等障碍物时，在足够远的屏幕上会出现一幅幅不同的衍射图样。在实验室中，过去用碳弧灯这类强点光源，而广泛采用氦氖激光器作光源来显示衍射现象，收到了良好的效果（图1）。衍射现象具有两个鲜明的特点 [4]  ：
①光束在衍射屏上的某一方位受到限制，则远处屏幕上的衍射强度就沿该方向扩展开来。
②若光孔线度越小，光束受限制得越厉害，则衍射范围越加弥漫。理论上表明光孔横向线度ρ与衍射发散角
Δθ之间存在反比关系
ρΔθ≈λ。
当光孔线度远远大于光波长λ时，衍射效应很不明显，近似于直线传播。当光孔线度逐渐变小，衍射效应逐渐明 显，在远处便出现亮暗分布的衍射图样。当光孔线度小到可以同光波长相比拟时
光的衍射课件   光的衍射课件
，衍射效应极为明显，衍射范围弥漫整个视场，过渡为散射情形。
惠更斯－菲涅耳原理 　是处理光的衍射的近似理论，惠更斯－菲涅耳原理可以表述为：波阵面∑上的每个面元d∑，可看成为一个新的振源（次波源），它们发出次波；波场中任意处P点的扰动是所有次波到达该点的次级扰动的相干叠加（图2）。
如用复振幅（包括振幅和位相）描述波场，若一个次波到达场点的次级扰动为d堚(P)， 则场点的总扰动为
式中次级扰动的振幅和位相由以下诸因素决定：
──次波源的微分面积，
观察仪器   观察仪器
──次波源本身的复振幅，
──次波源发射球面波，
──倾斜因子，说明次波面源的发射具有一定的方向性。
光的具体形式
60余年后，G.R.基尔霍夫从定态波场的亥姆霍兹方程出发，利用矢量场论中的格林公式，在kr1近似条件下，导出了无源空间边值定解的积分形式为式中各量的意义参见图3,并指明凡
光的衍射   光的衍射
是隔离实际点光源与场点的任意闭合面∑都可以作为积分面（波阵面），它不一定是等相面。上式称为菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式，它与由朴素的物理思想所构造的衍射积分相比较，两者的主体部分是相同的，只是前者明确地给出了倾斜因子和比例系数的具体形式。
显然，惠更斯-菲涅耳原理的提出不是为了解决光的自由传播问题，而是为了求解光通过衍射屏以后的衍射场。为此，取波阵面为包括光孔面∑o、光屏面∑1和无穷远处的半球面∑2等三部分构成的闭合面。基尔霍夫进一步提出（图4）：∑0面上的光场堚0(Q)取自由波场，∑1面上的光场取0，无穷远面上的光场对场点的贡献为0,这称为基尔霍夫边界条件的假设。于是菲涅耳－基尔霍夫衍射公式中的积分区域就限于光孔面。基尔霍夫边界条件的假设看来是比较自然的，但它并不严格成立。光是电磁波，严格的衍射理论应是高频电磁场的矢量波理论。光屏是实物组成的，应考虑光与屏物质(导体或电介质)的相互作用，结果就扰动了光孔面上的原有光场，而且也不会使得光屏面上的光场断然为0。但是理论表明，严格的边界条件与基尔霍夫边界条件给出的场分布的显著差
光的衍射观察仪器   光的衍射观察仪器
异，仅局限于光屏或光孔边缘邻近区域波长量级的范围内。对于光波，由于其波长往往比光孔的线度小很多，故采用基尔霍夫边界条件所产生的误差不大。但是，对于无线电波的衍射就需要用较严格的电磁理论。于是，菲涅耳-基尔霍夫衍射积分式中的积分面只遍及光场不等于零的光孔面∑0。在光孔和接收范围满足旁轴条件下，倾斜因子，衍射积分简化为式中r0是衍射屏中心到场点的距离，上式是计算衍射场的一个实用公式。
衍射系统和衍射屏函数
从衍射积分（傍轴）式中可以看出，对各种衍射屏来说积分核是相同的，衍射场的不同分
光的衍射   光的衍射
布是由瞳函数堚0(Q)或光场不等于零的光孔面∑0的形状和大小等两方面的差别而引起的。可能导致光波衍射的障碍物（屏）的品种是多种多样的，凡是使波阵面上的复振幅分布发生改变的物，统称为衍射屏。衍射屏可以是反射物或透射物，诸如圆孔、矩孔、单缝等一类中间开孔型的，有小球、细丝、墨点、颗粒等一类中间阻挡型的，有反射闪耀光栅、透射黑白光栅、菲涅耳波带片、正弦型光栅等周期型的，也可以是景物的一幅底片、一张图像、一页数码字符等复杂型的，还可能是透镜棱镜等一类位相型的衍射屏。
以衍射屏为界，整个衍射系统分成前后两部分（图5）。前场为照明空间，充满照明光波；后场为衍射空间，充满衍射光波。照明光波的波型一般比较简单，常用球面波或平面波，这两种典型波的等相面与等幅面是重合的，属于均匀波，其波场中没有因光强起伏而出现的亮暗图样。衍射波比较复杂，它不是单纯的一束球面波或平面波，其等相面与等幅面一般不重合，属
光的衍射   光的衍射
于非均匀波，其波场中常有光强起伏形成的衍射图样。在衍射系统分析中注重三个场分布。一是衍射屏左侧的入射场堚1(x,y),它是入射光波阵面函数；二是衍射屏右侧的透射场堚2(x,y),当然也可以是反射场，它是衍射场波阵面函数；三是衍射波向前传播而到达接收屏幕上的光场函数 堚(x′，y′)。将堚1场变换为堚2场的是衍射屏的作用，由堚2场导出堚场是衍射问题的基本提法，也是光的传播问题的基本提法，其理论根据就是惠更斯-菲涅耳原理。由此可见，本质上说，光波衍射就是波阵面变换。

光的衍射衍射种类

光的衍射狭缝衍射

让激光发出的单色光照射到狭缝上，当狭缝由很宽逐渐减小，在光屏上出现的现象怎样？
当狭缝很宽时，缝的宽度远远大于光的波长，衍射现象极不明显，光沿直线
光的衍射图样1   光的衍射图样1
传播，在屏上产生一条跟缝宽度相当的亮线；但当缝的宽度调到很窄，可以跟光波相比拟时，光通过缝后就明显偏离了直线传播方向，照射到屏上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的衍射条纹，纹缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽。但亮度越来越暗。
试验：可以用游标卡尺调整到肉眼可辨认的最小距离，再通过此缝看光源。
光的衍射图样2   光的衍射图样2

光的衍射小孔衍射

当孔半径较大时，光沿直线传播，在屏上得到一个按直线传播计算出来一样
光的衍射   光的衍射
大小的亮光圆斑；减小孔的半径，屏上将出现按直线传播计算出来的倒立的光源的像，即小孔成像；继续减小孔的半径，屏上将出现明暗相间的圆形衍射光环。

光的衍射衍射应用

光的衍射决定光学仪器的分辨本领。气体或液体中的大量悬浮粒子对光的散射，衍射也起重要的作用。在现代光学乃至现代物理学和科学技术中，光的衍射得到了越来越广泛的应用。衍射
光的衍射   光的衍射
应用大致可以概括为以下五个方面 [5]  ：
① 衍射用于光谱分析。如衍射光栅光谱仪。
② 衍射用于结构分析。衍射图样对精细结构有一种相当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析结构，如X射线结构学。
③ 衍射成像。在相干光成像系统中，引进两次衍射成像概念，由此发展成为空间滤波技术和光学信息处理。光瞳衍射导出成像仪器的分辨本领。
④ 衍射再现波阵面。这是全息术原理中的重要一步。
⑤ X光的衍射可用于测定晶体的结构，这是确定晶体结构的重要方法。
参考资料
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[diàn cí xué]  电磁学（物理学科分类）





电磁学是研究电磁现象的规律和应用的物理学分支学科，起源于18世纪。广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要研究电磁波、电磁场以及有关电荷、带电物体的动力学等等。
中文名
电磁学
外文名
electromagnetism
日文名
电磁気
阿拉伯语
الكهرومغناطيسية
法    语
electromagnétisme

目录

电磁学物理简介

电磁学   电磁学
电磁学是研究电、磁、二者的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。根据近代物理学的观点，磁的现象是由运动电荷所产生的，因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容。所以，电磁学和电学的内容很难截然划分，而“电学”有时也就作为“电磁学”的简称。
电磁学从原来互相独立的两门科学（电学、磁学）发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。这两个实验现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。
导线所载有的电流，会在四周产生磁场，其磁场线是以同心圆图案环绕着导线的四周。
使用电流表可以直接地测量电流。但这方法的缺点是必须切断电路，将电流表置入电路中间。间接地测量伴电流四周的磁场，也可以测量出电流强度。优点是，不需要切断电路。应用这方法来测量电流的仪器有霍尔效应感测器、电流钳（current clamp）、变流器（current transformer） 、Rogowski coil 等等。
电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，洛伦兹的电子论把物质的宏观电磁性质与光学性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。
电磁学是物理学的一个分支。电学与磁学领域有着紧密关系，广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要研究电磁波、电磁场以及有关电荷、带电物体的动力学等等。

电磁学物理现象

人们很早就已知道发电鱼（electric fish）会发出电击。根据公元前2750年撰写的古埃及书籍，这些电鱼被称为“尼罗河的雷使者”，是所有其它鱼的保护者。大约两千五百年之后，希腊人、罗马人，阿拉伯自然学者和阿拉伯医学者，才又出现关于发电鱼的记载。古罗马医生 Scribonius Largus 也在他的大作《Compositiones Medicae》中，建议患有像痛风或头疼一类病痛的病人，去触摸电鳐，也许强力的电击会治愈他们的疾病。 [1] 
阿拉伯人可能是最先了解闪电本质的族群。他们也可能比其它族群都先认出电的其它来源。早于15世纪以前，阿拉伯人就创建了“闪电”的阿拉伯字 “raad”，并将这字用来称呼电鳐。
在地中海区域的古老文化里，很早就有文字记载，将琥珀棒与猫毛摩擦后，会吸引羽毛一类的物质。公元前600年左右，古希腊的哲学家泰勒斯（Thales，前640~前546）做了一系列关于静电的观察。从这些观察中，他认为摩擦使琥珀变得磁性化。这与矿石像磁铁矿的性质迥然不同；磁铁矿天然地具有磁性。泰勒斯的见解并不正确。但后来，科学会证实磁与电之间的密切关系。 [2] 
1600年，曾为英国伊丽莎白一世御医的英国人吉尔伯特发表《论磁石》，总结了前人的经验，记载了大量实验。如“小地球”实验。伽利略称其为“经验主义的奠基人”。
1663年，德国马德堡的奥托·冯·格里克发明摩擦起电机。
1720年，英国牧师格雷研究了电的传导现象。
1733年，杜非分辨了两种电——松脂电和玻璃电。
1745年，荷兰莱顿城莱顿大学教授马森布洛克（Musschenbrock）发现了莱顿瓶，为贮存电荷找到了一个方法。莱顿瓶就是一个玻璃瓶，在瓶里和瓶外分别贴有锡箔。瓶里锡箔通过金属链与金属棒连接，棒的上端是一个金属球。法国人诺莱特在巴黎一座大教堂前邀请了法国路易十五的皇室成员临场观看：七百名修道士手拉手排成一行，排头的修道士用手握住莱顿瓶，当莱顿瓶充电后，让排尾的修道士触摸莱顿瓶的引线。顿时，七百名修道士几乎同时跳了起来。在场的人目瞪口呆。从而展示了电的巨大威力。

电磁学物理发展

电磁波的发现由于历史上的原因（最早，磁曾被认为是与电独立无关的现象），同时也由于磁学本身的发展和应用，如近代磁性材料和磁学技术的发展，新的磁效应和磁现象的发现和应用等等，使得磁学的内容不断扩大，而磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究。
麦克斯韦电磁理论的重大意义，不仅在于这个理论支配着一切宏观电磁现象（包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等），而且在于它将光学现象统一在这个理论框架之内，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。
和电磁学密切相关的学科是经典电动力学，两者在研究对象和内容上并没有原则的区别。一般说来，电磁学偏重于经典电磁现象的实验研究，从广泛的电磁现象研究中归纳出电磁学的基本规律，最后总结出麦克斯韦方程组（但不系统研究具体如何求解）；而经典电动力学则偏重于理论方面，它以麦克斯韦方程组和洛伦兹力（逻辑上相当于牛顿力学中牛顿的三个运动定律）为基础，研究宏观、低能尺度下电磁场分布，电磁波的激发、辐射和传播，以及带电粒子与电磁场的相互作用等电磁问题。
电磁学的各种实验结论与电动力学的关系，某种程度上可以类比于开普勒三定律与牛顿万有引力定律的关系。由高中物理可知，虽然万有引力定律是从开普勒通过对天体运动观测总结出的三大定律联立推导出来的；而通过联立万有引力定律、牛顿运动定律与各种运动学量的定义式，我们也可以反推出开普勒行星运动三定律（包括第三定律中，常数k的表达式）。然而，对于许多特定已知条件的行星运动问题，直接利用开普勒三定律，往往能够避免大量繁琐的运算。
由此可见，从某种意义上，也可以认为广义的电磁学包含了经典电动力学。关于相对论和量子理论对电磁学发展的影响，详见相对论电动力学、量子电动力学。
麦克斯韦《电磁论》发表后，由于理论难懂，无实验验证，在相当长的一段时间里并未受到重视和普遍承认。1879年，柏林科学院设立了有奖征文，要求证明以下三个假设：①如果位移电流存在，必定会产生磁效应；②变化的磁力必定会使绝缘体介质产生位移电流；③在空气或真空中，上述两个假设同样成立。这次征文成为赫兹进行电磁波实验的先导。
1885年，赫兹利用一个具有初级和次级两个绕组的振荡线圈进行实验，偶然发现：当初级线圈中输入一个脉冲电流时，次级绕组两端的狭缝中间便产生电火花，，赫兹立刻想到，这可能是一种电磁共振现象。既然初级线圈的振荡电流能够激起次级线圈的电火花，那么它就能在邻近介质中产生振荡的位移电流，这个位移电流又会反过来影响次级绕组的电火花发生的强弱变化。
1886年，赫兹设计了一种直线型开放振荡器留有间隙的环状导线C作为感应器，放在直线振荡器AB附近，当将脉冲电流输入AB并在间隙产生火花时，在C的间隙也产生火花。实际这就是电磁波的产生、传播和接收。
证明电磁波和光波的一致性：1888年3月赫兹对电磁波的速度进行了测定，并在论文《论空气中的电磁波和它们的反射》介绍了测定方法：赫兹利用电磁波形成的驻波测定相邻两个波节间的距离（半波长），再结合振动器的频率计算出电磁波的速度。他在一个大屋子的一面墙上钉了一块铅皮，用来反射电磁波以形成驻波。在相距13米的地方用一个支流振动器作为波源。用一个感应线圈作为检验器，沿驻波方向前后移动，在波节处检验器不产生火花，在波腹处产生的火花最强。用这个方法测出两波节之间的长度，从而确定电磁波的速度等于光速。1887年又设计了“感应平衡器”：即将1886年的装置一侧放置了一块金属板D，然后将C调远使间隙不出现火花，再将金属板D向AB和C方向移动，C的间隙又出现电火花。这是因为D中感应出来的振荡电流产生一个附加电磁场作用于C，当D靠近时，C的平衡遭到破坏。 这一实验说明：振荡器AB使附近的介质交替极化而形成变化的位移电流，这种位移电流又影响“感应平衡器C”的平衡状态。使C出现电火花。当D靠近C时，平衡状态再次被破坏，C再次出现火花。从而证明了“位移电流”的存在。
赫兹又用金属面使电磁波做45°角的反射；用金属凹面镜使电磁波聚焦；用金属栅使电磁波发生偏振；以及用非金属材料制成的大棱镜使电磁波发生折射等。从而证明麦克斯韦光的电磁理论的正确性。至此麦克斯韦电磁场理论才被人们承认。麦克斯韦因此被人们公认是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。至此由法拉第开创，麦克斯韦建立，赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。

电磁学磁效应

自吉尔伯特开始以来的二百多年，电和磁一直是毫无关系的两门学科，围绕电与磁寻找自然现象之间的联系，成为一种潮流。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，继泰勒斯2400年之后，建立了电与磁的联系。
“顿牟缀芥，磁石引针”说明了磁现象。17世纪初，吉尔伯特断言，电磁之间没有因果关系；库仑也持相同观点。但：1731年一名英国商人的一箱新刀在闪电过后带上了磁性；电力与磁力都遵守平方反比定律，说明它们有类似的规律。1751年，富兰克林发现缝纫针经过莱顿瓶放电后磁化了。1774年，德国一家研究机构悬奖征解，题目是：“电力和磁力是否存在实际和物理的相似性？”
奥斯特（1777~1851）丹麦人，发现电流磁效应的第一人。1799年的博士论文《论外部自然的基本的形而上学范畴》中，阐述了康德哲学思想对科学的指导作用，并深受康德关于“基本力”可以转化为其它各种形式的力的观点影响，1803年，旅游德国时，结识了坚信化学现象、电流和磁之间有相互联系的德国青年化学家里特，还参加过里特为寻找这种联系而进行的一些实验。这些都为奥斯特发现电流磁效应打下了基础。
（1）1803年他曾说：“人们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及人们所知道的任何其他现象的零散的罗列，人们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”他认为“自然力之统一”。
（2）1812年发表《关于化学力和电力的同一性研究》，表明他已经将自然力的统一思想运用到物理学和化学的研究中去了。他从电流流经直径较小的导线时导线会生热的现象推测，如果导线直径再小，就可能发光，直径再继续减小，就会产生磁。并指出:“人们应该检验的是，究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。”
（3）但是他认为电流对磁体的作用是纵向的（即沿着电流的方向），所以他的猜测一直未能实现。他在通电的导线前面放一根磁针，企图用通电的导线去吸引磁针。然而，导线灼热了，甚至烧红发光了，磁针毫无动静。但奥斯特深信，电和磁有某种联系，就像迪那和发热发光的现象一样。
（4）1819冬--1820年4月，奥斯特在给学生讲“电学、伽伐尼电流和磁学”的课程时，他考虑：电流产生的磁效应是否像电流通过导线时产生的热和光那样向四周散射，即是一种侧（横）向作用呢？在一次讲课中，他尝试将磁针放在导线的侧面。当他接通电源时，发现磁针轻微的晃动了一下！ 正是这一轻微的晃动，奥斯特马上意识到他多年孜孜以求的东西就要实现了。奥斯特紧抓不放，经过反复实验，查明了电流具有磁效应。1820年7月21日，发表了《电流对磁针的作用的实验》，引起了学术界的轰动。
（5）电冲突和螺旋线：奥斯特把导体周围空间发生的这种效应称为“电冲突”指出：“这种冲突呈现为圆形，否则就不可能解释这种现象：当磁极放在导线下面时，磁极被推向东方；当磁极被置于导线上方时，磁极被推向西方。其原因是，只有圆才具有这样的性质，
其相反部分的运动具有相反的方向。此外，沿着导线长度方向连续前进的圆形运动必然形成蜗线或螺旋线。”
（6）旋转力与中心力：奥斯特的发现和牛顿力学的基本原理是相互矛盾的。在牛顿力学中，自然界的力只能是作用于物体连线上的吸引或排斥力，即直接推拉性质的“中心力”。而奥斯特发现的却是一种“旋转力”。他所说的“螺旋线”，实际上就是关于磁的横向效应或电流所引起的涡流磁场的直观描述。是“场”的思想的开端。

电磁学物理理论

电磁学物理类比

1855年发表《论法拉第力线》，他以一种几何观点，为法拉第的力线作出了数学描绘。他在文章中写到：“如果人们从任意一点画一条线，并且当人们沿这条线走时，线上任一点的方向，总是和该点力的方向重合，那么这条曲线就表示他所通过的各点的合力的方向，并且在这个意义上才称为力线。用同样的方法人们可以画出其它力线。直到曲线充满整个空间以表示任一指定点的方向。”这样，力线的切线方向就是电场力的方向，力线的密度表示电场力的大小。
麦克斯韦用类比的方法，把力线看作不可压缩的流体的流线。由此他把力线、力管等与流体力学的理论做比较，如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入一种新的矢量函数来描述电磁场。可以说把法拉第的物理翻译成了数学。在文章中，麦可斯韦导出了电流四周的磁力线和磁力之间的关系，表示描述电流和磁力线的一些物理量之间的定量关系的矢量微分方程，以及电流间作用力和电磁感应定律的定量公式。当法拉第看到麦可斯韦的文章后赞叹到：“我惊讶的看到，这个主题居然处理的如此之好！”
1860年，70岁的法拉第和30岁的年轻人麦克斯韦见面了，建立电磁理论的共同心愿超越了年龄的鸿沟，法拉第对麦克斯说：“你不要停留在用数学来解释我的观点上，而应该突破它。”

电磁学以太涡旋模型

1862年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文《论物理力线》。麦克斯韦引进了一种媒质的理论，提出了电磁以太模型，把电学量和磁学量之间的关系，形象的表现出来。这种模型理论中，充满空间的媒质在磁作用下具有旋转的性质，即给排列着的许多分子涡旋，它们以磁力线为轴形成涡旋管，涡旋管转动的角速度正比于磁场强度H，涡旋媒质的密度正比于媒质磁导率μ。涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。
涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。因此磁力线在纵向表现为张力，即异性磁极的吸引；在横向表现为压力，即同性磁极的排斥。
以太涡旋模型   以太涡旋模型
由于相互紧密连接的涡旋管的表面是沿相反方向运动的，为了互不妨碍对方的运动，麦可斯韦设想在相临涡旋管之间充满着一层起惰性或滚珠轴承作用的微小粒子。它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的带电粒子。粒子和涡旋的作用是切向的。粒子可以滚动，但没有滑动；在均匀恒定磁场，即每个涡旋管转动速度相同的情况下，这些粒子只绕自身的轴自转，但当两侧涡旋管转速不同时，粒子的中心则以两侧涡旋边缘运动的差异情况而运动。对于非均匀磁场，即随位置不同磁力的强度不同，因而涡旋管的转速也不同的情况，涡旋管间的粒子则发生移动。根据涡旋理论，单位时间通过单位面积的粒子数即涡旋的流量j与涡旋管旋转的切线速度H的旋度成正比，即：此处j 对应于电流，H 对应于磁场，此方程即为电磁场的运动方程。它说明电粒子的运动必然伴随分子的磁涡旋运动，这也就是电流产生磁力线的类比机制。对于磁场随时间变化的情况，涡旋运动的能量变化（因H变化）必然受到来自粒子层切向运动的力，这个力E满足关系：其中?H/?t是涡旋速度的变化率，E为作用于粒子层的力，对应于该点的感应电动势。它说明磁介质中不稳定的磁涡旋运动，必引起电的运动，产生感应电动势，从而产生电流。此式为电磁场的动力学方程。

电磁学位移电流

“位移电流”的提出：在论文第三部分，麦克斯韦把涡旋模型推广到静电现象。由于H=0，所以媒质由具有弹性的静止的涡旋管和粒子层组成。当媒质处于电场中时，粒子层将受到电力E的作用而发生位移，并给涡旋管以切向力使之发生形变。形变的涡旋管则因内部的弹性张力而对粒子层施以大小相等方向相反的作用力，当两力平衡时，粒子处于静止状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。
对于绝缘介质， 麦克斯韦进一步假设：受到电力作用的绝缘介质，它的粒子将处于极化状态，虽然粒子不能自由运动，但电力对整个介质的影响是引起电在一定方向上的一个总位移D。当电场发生变化的时候，粒子的总位移D也跟着发生变化，从而形成正负方向上的电流。这就是说，电位移对时间的微商?D/?t也一定具有和电流相同的作用。这就是麦克斯韦理论中重要的“位移电流”假设。
麦克斯韦利用他所构造的电磁以太力学模型。不仅说明了法拉第磁力线的应用性质，还建立了全部主要电磁现象之间的联系；但麦克斯韦清楚的认识到上述模型的暂时性，他仅仅把他看做是一个“力学上可以想象和便于研究的适宜于揭示已知电磁现象之间真实的力学联系”的模型。所以在1864～1865年的论文《电磁场的动力学理论》中，他完全放弃了这个模型，去掉了关于媒质结构的假设，只以几个基本的实验事实为基础，以场论的观点对自己的理论进行了重建。
他说“我所提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及到带电体和磁性物质周围的空间；它也可以叫做动力学理论，因为它假定在该空间存在着正在运动的物质，从而才产生了人们所观察到的电磁现象。”“电磁场就是处于电磁状态的物体周围的空间，包括这些物体本身在内：场中可以只有某种物质，也可以抽成没有宏观物质的空间，象盖斯勒管或其它叫真空的情形那样”。麦克斯韦假设真空中虽没有“宏观物质”存在，但有以太媒质。这种以太媒质充满整个空间，渗透物体内部，具有能量密度，并能以有限速度传播电磁作用。

电磁学电磁方程组

麦克斯韦   麦克斯韦
1873年，麦克斯韦出版《电磁学通论》，他不仅用数学理论发展了法拉第的思想，还创造性的建立了电磁场理论的完整体系。在这本书中，他的思想得到更完善的发展和更系统的陈述。他把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-----麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。《电磁学通论》是人类第一个有关经典场论的不朽之作。最初，在《电磁学通论》书中，麦克斯韦共列出了20个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有8个。后来简化成四个。1890年前后，德国物理学家赫兹和英国物理学家亥维赛，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到人们通用的微分形式。

电磁学电磁波的预言

麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波的存在。麦克斯韦通过计算，从方程组中导出了自由空间中电场强度E和磁感应强度B的波动方程表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度c传播着。并且推出了电磁波的传播速度为：31.074万公里/秒，式中ε是介电常数，μ为磁导率。
光波就是电磁波
麦克斯韦发现这个值与1849年斐索测得的光速31.50万公里/秒十分接近。他认为这不是巧合，而是由于光的本质与电磁波相同，从而提出了光的电磁理论。它表明“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动” 。从而将电、磁、光理论进行了一次伟大的综合。
麦克斯韦说：“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实，有益和巩固”。

电磁学狭义相对论

电磁学   电磁学
电磁学的基本方程为麦克斯韦方程组，此方程组在经典力学的相对运动转换（伽利略变换）下形式会变，在伽利略变换下，光速在不同惯性坐标下会不同。保持麦克斯韦方程组形式不变的变换为洛伦兹变换，在此变换下，不同惯性坐标下光速恒定。
二十世纪初迈克耳孙-莫雷实验支持光速不变，光速不变亦成为爱因斯坦的狭义相对论的基石。取而代之，洛伦兹变换亦成为较伽利略变换更精密的惯性坐标转换方式。

电磁学基本物理公式

库仑定律：F=kQq/r²;
电场强度：E=F/q
点电荷电场强度：E=kQ/r²
匀强电场：E=U/d
电势能：EA=qφA EA:带电体在A点的电势能(J)，q:电量(C)，φA:A点的电势(V)}
电势差：Uab=Wab/q
静电力做功: W=qU，U为电荷运动的初、末位置电场的电势差，q为电荷的电量。
电容定义式：C=Q/U
电容:C=εS/4πkd
电磁学   电磁学
带电粒子在匀强电场中的运动：
加速匀强电场：1/2*mv^2; =qU或者v^2 =2qU/m
偏转匀强电场:
运动时间:t=x/v
垂直加速度：a=qU/md
垂直位移:y=1/2*at^2 =1/2*(qU/md)*(x/v//)^2
偏转角：θ=v⊥/v//=qUx/md(v//)^2
微观电流：I=nesv
欧姆定律：I=U/R
电阻串联：R =R?+R?+R?+ ……
电阻并联：1/R =1/R?+1/R?+1/R?+ ……
焦耳定律：Q=I&sup2; Rt
P=I&sup2; R
P=U&sup2; /R
电功：W=UIt
电磁学   电磁学
电功率：P=UI
电阻定律：R=ρl/S
ε=U外+U内
安培力：F=ILBsinθ
洛伦兹力：f=qvB
磁通量：Φ=BS
电磁感应
感生电动势：E=nΔΦ/Δt
动生电动势：E=Blv*sinθ
高中物理电磁学公式总整理
电子电量为 库仑(Coul)，1C= 电子电量。
串联电路
电流I(A) I=I1=I2=…… 电流处处相等
电压U(V) U=U1+U2+…… 串联电路起分压作用
电阻R(Ω) R=R1+R2+……
并联电路
电流I(A) I=I1+I2+…… 干路电流等于各支路电流之和(分流)
电压U(V) U=U1=U2=……
电阻1/R(Ω) =1/R1+1/R2

电磁学创始人物

麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家，经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。
麦克斯韦1831年6月13日出生于爱丁堡。16岁时进入爱丁堡大学，三年后转入剑桥大学学习数学，1854年毕业并留校任教，两年后到苏格兰的马里沙耳学院任自然哲学教授，1860年到伦敦国王学院任教，1871年受聘筹建剑桥大学卡文迪什实验室，并任第一任主任。1879年11月5日在剑桥逝世。
麦克斯韦集成并发展了法拉第关于电磁相互作用的思想，并于1865年发表了著名的《电磁场动力学理论》的论文，将所有电磁现象概括为一组偏微分方程组，预言了电磁波的存在，并确认光也是一种电磁波，从而创立了经典电动力学。麦克斯韦还在气体运动理论、光学、热力学、弹性理论等方面有重要贡献。
电磁学或称电动力学或经典电动力学。之所以称为经典，是因为它不包括现代的量子电动力学的内容。电动力学这样一个术语使用并不是非常严格，有时它也用来指电磁学中去除了静电学、静磁学后剩下的部分，是指电磁学与力学结合的部分。这个部分处理电磁场对带电粒子的力学影响。

电磁学年表

时间
大事
发现人
公元前七世纪
发现磁石
管子(中国), Thales(泰勒斯、古希腊)
公元前二世纪
静电吸引
西汉初年不详
1600年
《地磁论》论述磁并导入“电的”（electric）
William Gilbert(吉尔伯特)
英国女王御臣
1745年
莱顿瓶，电容器的原形，存贮电
Pieter van musschenbrock(穆欣布罗克，荷兰莱顿)
Ewald Georg Von Kleit(克莱斯特，德国)
1747年
电荷守恒定律
（正、负电的引入）
Benjamim Franktin
(富兰克林，美国)
1754年
避雷针
（电的实际应用）
Procopius Dirisch
(狄维施)
1785年
库仑定律
电磁学进入科学行列
Charles Auguste de Coulom
(库仑，法国)
1799年
发明电池
提供较长时间的电流
Alessandro Graf Volta
(伏打，意大利)
1820年
电流的磁效应
（电产生磁）
安培分子电流说
毕奥-萨伐尔定律
Hans Chanstian Oersted(奥斯特丹麦)
Andre Marie Ampere(安培，法国)
Jean-Baptute Biot, Felix Savart(毕奥，萨伐尔)
1826年
欧姆定律
Georg Simon ohm(欧姆)
1831年
电磁感应现象
（磁产生电）
Michael Faraday
(法拉第，英国)
1834年
楞次定律
楞次
1865年
麦克斯韦方程组
建立了电磁学理论，
预言了电磁波
Maxwell(麦克斯韦)
1888年
实验证实电磁波存在
Heinrich Hertz
(赫兹，德国)
1896年
光速公式
Hendrik Anoen Lorentz
(洛仑兹)

物理学

物理学·包含学科（二、三级学科）

参考资料

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