电磁理论在光波中的应用研究

徐士涛

摘 要：本文首先简单介绍光的电磁理论的发展历程和研究现状，再详细探究麦克斯韦方程组在光的电磁理论中的应用，并进一步解方程组得到平面电磁波的波函数。着重从光的电磁波性质，物质方程，电磁场的波动性，平面电磁波等方面进行深入研究，最后做了相应的总结，为读者提供相应的参考。

关键词：光的电磁理论；平面电磁波；麦克斯韦方程

中图分类号：O442 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2020）04-0196-02

基金项目：2018年度安徽省高等学校自然科学研究项目“二维新型纳米材料CrI3磁性性质的理论研究”（KJ2018A0680）；2017年度安徽省高校自然科学研究项目“纳米尺度铁氧体磁性粒子体系的设计与磁性研究”（KJ2017A844）

1 電磁理论的发展历程

1865年，在此前电磁学的研究基础上，麦克斯韦利用数学工具发现电磁波和光以相同的速率传播，于是他猜想：光波就是电磁波[1]。20年后赫兹证实了麦克斯韦的猜想，因为他以实验验证了光波就是电磁波[2]，从而光的电磁理论诞生了。光的电磁理论非常准确地描绘了光是怎样传输的，或者说准确表达了光的波动性，是掌握现代光学的一个重要基础。

麦克斯韦建立的电磁理论，既表明电与磁之间的关系，同时指出了电磁波在真实世界中的物质性，并且把看似不相关的电、磁、光三者关联在一起。光的电磁理论不仅开创了光学研究的新方向，还促进了物理学走向更高的顶峰。以光的电磁理论为基础发展出的光传感器、光通信等领域现已成为现代社会的支柱产业，光传感器在医疗、工业、军事方面应用广泛，而光纤也成为代替电缆的最佳选择[3]，目前世界信息主干网都以光缆铺设，光纤通信技术进步的速度可谓一日千里，前景也非常广阔，光纤通信为人类通信提供了一个全新的方向。

2 光的电磁波性质

麦克斯韦凭借麦克斯韦方程组成功预测了光的波动性，因此研究电磁理论时麦克斯韦方程组是绕不过去的一座大山，并且将它与物质方程放在一起，能够求出电磁场在时变场情况下的结果。

麦克斯韦方程组表明，能够产生电磁场的不仅有电流、电荷，时变的电场和磁场相互作用也会形成一个完整的电磁场[4]。一旦场源物质（比如电流）构成了时变的电磁场，它就会平稳地向外传输，我们将它看作电磁波的产生。

3 物质方程

上面的方程是关于电磁场中介质的电和磁方面的性质，将上面的物质方程与麦克斯韦方程联立起来，能够求出电磁场在时变场情况下的结果，若是给以特定的相关值，也可以用它来解决对应的有关光学方面的疑惑。

4 电磁场的波动性

通过系统推导后，麦克斯韦猜想：光波是电磁波的一种[1]。20年后，赫兹通过实验验证了麦克斯韦的猜想，从此，才有越来越多的人接受并深入研究光的电磁理论。

电磁波谱如图1所示，经实验证实，人的肉眼能看见的光的波长范围处于380nm～760nm之间。

光的电磁理论代表了电、磁、光三者的统一，可能对于这种大一统的结果最满意的人反而是物理学家们，光、磁、电是从不同角度对同一事物进行描述所得出的不同结论。

5 平面电磁波

上式为波动方程的通解。为简单起见，我们关注最单一的波动形式——简谐运动，因为借助傅里叶分析的思想，任何情况的波动形式都能够拆分成不同频率简谐运动的和。这样，我们可得：

6 结语

本文详细解析电磁理论在光波中的应用研究。第一，主要描述了光的电磁理论的发现历程和研究现状，光的电磁理论的发现过程中麦克斯韦做出了最大的贡献，目前光的电磁理论已经应用到了光学研究中的各个领域。第二，详细探究光的电磁理论的数学基础，分别为麦克斯韦方程、物质方程和平面电磁波，将两方程联立起来，可以求出电磁场在时变场情况下的结果。

参考文献：

[1]文小刚.我们生活在一碗汤面里吗？——光和电子的统一与起源[J].物理，2012，41（6）：359-366.

[2]郁道银，谈恒英.工程光学（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3]彭利标等.光纤通信技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]雷虹，余恬，刘立国.电磁场与电磁波[M].北京：北京邮电大学出版社，2008.

（责任编辑：李凌峰）