光電子技術第一章教案第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日麥克斯韋(英國1831~1879)1865年他預言了電磁波的存在，并計算了電磁波的傳播速度等于光速，同時得出結論：光是電磁波的一種形式，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。1888年德國物理學家赫茲用實驗驗證了電磁波的存在。麥克斯韋于1873年出版了科學名著《電磁理論》，系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場理論。這一理論成為經典物理學的重要支柱之一。麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學、統(tǒng)計物理學、光學、力學、彈性理論方面的研究。他建立的電磁場理論，將電學、磁學、光學統(tǒng)一起來，是19世紀物理學發(fā)展的最光輝的成果，是科學史上最偉大的綜合之一。

第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日1.1麥克斯韋方程組及其物理意義

麥克斯韋方程組的積分形式第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日庫侖（法國1736～1806）

早年就讀于美西也爾工程學校。離開學校后，進入皇家軍事工程隊當工程師。法國大革命時期，庫侖辭去一切職務，到布盧瓦致力于科學研究。法皇執(zhí)政統(tǒng)治期間，回到巴黎成為新建的研究院成員。

1785~1789年，用鈕稱測量靜電力和磁力，導出著名的庫侖定律。

第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日庫侖定律真空中兩個點電荷作用力的大小與兩個點電荷的電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比；作用力的方向在兩個點電荷的連線上，同性電荷相排斥，異性電荷相吸引。

的推導第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日庫侖紐稱實驗

細金屬絲下懸掛一根秤桿，它的一端有一小球A，另一端有平衡體P，在A旁還置有另一與它一樣大小的固定小球B。為了研究帶電體之間的作用力，先使A、B各帶一定的電荷，這時秤桿會因A端受力而偏轉。轉動懸絲上端的懸鈕，使小球回到原來位置。這時懸絲的扭力矩等于施于小球A上電力的力矩。如果懸絲的扭力矩與扭轉角度之間的關系已事先校準、標定，則由旋鈕上指針轉過的角度讀數(shù)和已知的秤桿長度，可以得知在此距離下A、B之間的作用力。PAB秤桿第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日庫侖定律的推導

電場強度第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日圖示第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日的推導如果是非勻強電場，并且S也不是平面而是一個任意曲面(上圖(c))，那么如果所考慮的是一個閉合曲面，穿過整個閉合曲面S的電通量為第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日的獲得靜電場中的環(huán)路定理：靜電場中的場強沿任意閉合環(huán)路的線積分恒等于零，即“靜電場力作功與路徑無關”。它是描述靜電場規(guī)律的另一條重要定理。

非穩(wěn)定條件下的環(huán)路定理：表示變化的磁場可感應出渦旋電場第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日起源由靜止電荷激發(fā)由變化的磁場激發(fā)電力線形狀電力線為非閉合曲線電力線為閉合曲線靜電場為無旋場感生電場為有旋場感生電場與靜電場的區(qū)別電場的性質為保守場作功與路徑無關為非保守場作功與路徑有關靜電場為有源場感生電場為無源場靜電場感生電場第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日位移電流、傳導電流的比較

1.位移電流具有磁效應——與傳導電流相同2.位移電流與傳導電流不同之處

(1)產生機理不同

傳導電流是電荷定向運動形成的位移電流是變化的電場

(2)存在條件不同

傳導電流需要導體位移電流不需要導體，可以存在于真空中、導體中、介質中

3.位移電流沒有熱效應，傳導電流產生焦耳熱位移電流是建立麥克斯韋方程組的一個重要依據(jù)。

第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日場的概念數(shù)量場矢量場場的概念所謂場，就是指物理量在空間或一部分空間空間中的分布。如電位場、溫度場等。數(shù)量場矢量場

數(shù)量場，分布在空間的物理量是數(shù)量（又稱標量場），例如電位場。矢量場，分布在空間的物理量是矢量（又稱向量場），例如，力場、速度場、電場強度場、磁場強度場等。第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日高斯(德國1777～1855)

德國著名數(shù)學家、物理學家、天文學家、大地測量學家。他和牛頓、阿基米德，被譽為有史以來的三大數(shù)學家。高斯是近代數(shù)學奠基者之一，在歷史上影響之大，可以和阿基米德、牛頓、歐拉并列，有“數(shù)學王子”之稱。高斯的數(shù)學研究幾乎遍及所有領域，在數(shù)論、代數(shù)學、非歐幾何、復變函數(shù)和微分幾何等方面都做出了開創(chuàng)性的貢獻。發(fā)明了最小二乘法原理。《算術研究》（1801）奠定了近代數(shù)論的基礎，它不僅是數(shù)論方面的劃時代之作，也是數(shù)學史上不可多得的經典著作之一。證明了代數(shù)基本定理，得到非歐幾何的原理。發(fā)現(xiàn)了著名的柯西積分定理。發(fā)現(xiàn)橢圓函數(shù)的雙周期性。一生共發(fā)表155篇論文。

第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日高斯(Gauss)定理高斯定理是關于空間區(qū)域上的三重積分與其邊界上的曲面積分之間關系的一個定理，表示為：高斯定理描述了矢量場中矢量函數(shù)沿封閉曲面S的面積分，等于該矢量函數(shù)的散度對該曲面包圍體積的體積分。散度是描述矢量場中一個點上的特性，而高斯定理表達式左端描述的是矢量場A在一個范圍上的特性。第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日斯托克斯(英國1819～1903)

英國數(shù)學物理學家。他是19世紀英國數(shù)學物理學派的重要代表人物之一1841年畢業(yè)于劍橋大學，歷任該大學教授、英國皇家學會會員，秘書和會長。他和法國的C.-L.-M.-H.納維分別獨立地導出流體力學中的納維-斯托克斯方程和小球在粘滯流體中運動的斯托克斯公式。他提出過光行差理論，光衍射和晶體雙折射的動力理論，研究與命名了“熒光”現(xiàn)象而發(fā)現(xiàn)了其中的斯托克斯效應（發(fā)光的波長總是大于激發(fā)光的波長），并提倡用來對有機體作光譜分析。他在大地重力測量和數(shù)學物理方法方面亦作出過貢獻，如著名的斯托克斯積分定理。斯托克斯在數(shù)學方面以場論中關于線積分和面積分之間的一個轉換公式（斯托克斯公式）而聞名。第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日斯托克斯(Stokes)定理斯托克斯(Stokes)定理是關于曲面積分與其邊界曲線積分之間關系的定理，即：斯托克斯公式描述矢量場中，矢量A沿閉合周界l

的線積分，它等于這個矢量的旋度沿場中以l為周界的曲面的面積分。第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日麥克斯韋方程組及其物理意義

——麥克斯韋方程組的微分形式高斯定理：斯托克斯定律：第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日高斯定理的微分形式推導

根據(jù)高斯定理，得：

設自由電荷

是體分布的，為電荷的體密度，則(1.12)式的(I)式為：第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日安培環(huán)路定理的微分形式推導假定傳導電流是體分布的，其密度為，則根據(jù)斯托克斯定律第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日麥克斯韋方程組的微分形式第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日麥克斯韋方程組的物理意義(Ⅰ)式：電位移矢量或電感應強度Ｄ的散度等于電荷密度，即電場為有源場。(Ⅲ)式：磁感強度Ｂ的散度為零，即磁場為無源場。(Ⅱ)式：隨時間變化的磁場激發(fā)渦旋電場。(Ⅳ)式：隨時間變化的電場激發(fā)渦旋磁場。第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日電場與磁場的激發(fā)不符合右手法則（為負）tB??符合右手法則tD??第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日電磁波的傳播電場波源磁場磁場磁場磁場磁場電場電場電場第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日介質方程與邊界條件介質方程在介質內部麥克斯韋方程組尚不完備，需補充描寫介質性質的方程。邊界條件法向分量的躍變切向分量的躍變第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日介質方程對于各向同性的介質來說，有：

絕對介電常數(shù)：絕對磁導率：分別是相對界電常數(shù)、相對磁導率和電導率。是絕對界電常數(shù)、絕對磁導率。第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日小結

麥克斯韋方程組(1.15)式加上描述介質性質的方程(1.16)~(1.18)式,全面總結了電磁場中的規(guī)律,是宏觀電動力學的基本方程組,利用它們原則上可以解決各種宏觀電動力學的問題。第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日邊界條件：法向分量的躍變法向分量分界面因側面面積趨于零，對底面1來說，n是內法線方向所以：第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日邊界條件：法向分量的躍變

令為導體分界面上的自由電荷面密度，于是得到：

對于磁場B，把（1.12）式中的Ⅲ式應用得到：第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日邊界條件：切向分量的躍變DCAB

把麥氏方程（1.12）式中的Ⅳ式應用于狹長回路上?；芈范踢叺拈L度趨于零，因而有：

其中t表示沿△l的切向分量。通過回路的總自由電流為：

由于回路所圍面積趨于零而為有限量，因而：

定義電流線密度為α第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日邊界條件：切向分量的躍變第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日邊界條件界面兩側電場的切向分量連續(xù)界面兩側磁場的切向分量發(fā)生了躍變界面兩側電場的法向分量發(fā)生了躍變界面兩側磁場的法向分量連續(xù)

邊界條件表示界面兩側的場以及界面上電荷電流的制約關系,它實質上是邊界上的場方程。由于實際問題往往含有幾種介質以及導體在內，因此，邊界條件的具體應用對于解決實際問題十分重要。第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日平面電磁波的傳播EHk第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日平面電磁波的性質電磁波是橫波，電矢量E、磁矢量H和傳播方向K（K為傳播方向的單位矢量）兩兩垂直。E和H幅度成比例、復角相等

電磁波的傳播速度第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日赫茲（德國1857～1894）

赫茲，德國物理學家，生于漢堡。早在少年時代就被光學和力學實驗所吸引。十九歲入德累斯頓工學院學工程，由于對自然科學的愛好，次年轉入柏林大學，在物理學教授亥姆霍茲指導下學習。1885年任卡爾魯厄大學物理學教授。1889年，接替克勞修斯擔任波恩大學物理學教授，直到逝世。

赫茲對人類最偉大的貢獻是用實驗證實了電磁波的存在。

第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日赫茲的實驗第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日電磁波譜第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日光的電磁說紅外線紫外線倫琴射線第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日光的電磁說紅外線

紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，由德國科學家霍胥爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射,他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色的光的加熱效應。結果發(fā)現(xiàn)，位于紅光外側的那支溫度計升溫最快。因此得到結論：太陽光譜中，紅光的外側必定存在看不見的光線，這就是紅外線。也可以當作傳輸之媒界。在電磁波中，能夠作用于人的眼睛并引起視覺的，只是一個很窄的波段，通常叫做可見光。其中波長最短的是紫光，波長約為400nm波長最長的是紅光，波長約為760nm，波長更長的光不能引起視覺，叫做紅外線，紅外線的波長范圍很寬，約為770nm～106nm．返回目錄第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日光的電磁說紫外線

紫外線也是不可見光，它的波長比紫光還短，大約為100nm～400nm．紫外線有熒光作用，有些物質受到紫外線照射時可以發(fā)出可見光．

1801年德國物理學家里特發(fā)現(xiàn)在日光光譜的紫端外側一段能夠使含有溴化銀的照相底片感光，因而發(fā)現(xiàn)了紫外線的存在。紫外線可以促使人體合成維生素D，有助于人體對鈣的吸收，所以兒童經常曬太陽能夠預防缺鈣引起的佝僂病，但是過多的紫外線會使皮膚粗糙，甚至誘發(fā)皮膚癌．紫外線能夠殺滅多種細菌，可以用紫外線進行消毒．注意：紅外線與紫外線人眼都是看不到的返回目錄第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日紫外線

畫面上可以清晰的看到錢幣上的防偽標記返回目錄光的電磁說第四十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日紫外線★人體保健照射

280～320nm的紫外線稱為保健紫外線。照射皮膚后，使皮膚內的7－脫氫麥角膽固醇，轉化為維生素D3和D2，防止佝僂病和職業(yè)?。ǖV工等）?！镉蜔熝趸饨庋趸夹g

用紫外光來改變其油脂的分子鏈，同時這種紫外光與空氣中的氧反應后產生臭氧，將油脂分子冷燃生成二氧化碳和水，油煙中的有機物被光解氧化，異味也隨之消除。

★光觸酶（二氧化鈦）

在建筑材料或家用電器材料表面加入（或涂覆）少量的納米級二氧化鈦粉末