3 ФИЗИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭМ ПОЛЯ И ВЕЩЕСТВА 3

3. ФИЗИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭМ ПОЛЯ И ВЕЩЕСТВА 3. 1. Модели сплошной среды и ЭМ поля Физическая картина: • ЭМ поле взаимодействует с электронами в атомах (молекулах), отдает им свою энергию (ЭМ поле поглощается); однако колеблющиеся электроны сами становятся источниками вторичных ЭМ волн – суммарное поле в веществе формируется в результате сложения (интерференции) падающего излучения и вторичного; • число атомов в веществе очень велико – практически не проявляется при этом его дискретная структура, поэтому вещество можно считать сплошной средой; • последнее обстоятельство позволяет ввести такие понятия, как поляризация (дипольный момент единицы объема), электрическая и магнитная индукции – свойства непрерывной среды, непрерывной модели вещества); • теория взаимодействия ЭМ поля и вещества строится на основе уравнений Максвелла для ЭМ поля и материальных уравнений вещества. © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

3. 1. 1. Система уравнений Максвелла—Лоренца для ЭМ поля и вещества (установлена Максвеллом в 1873 г. для более общего случая электромагнитных полей в материальных средах и Лоренцем в 1895 г. для системы зарядов, движущихся в вакууме) Уравнения Максвелла—Лоренца не вытекают из каких-либо более общих теоретических положений, но являются обобщенной записью наблюдавшихся на опыте фактов СИСТЕМА СИ ГАУССОВСКАЯ СИСТЕМА Дж. Максвелл (1831 -1879) - вектора напряженностей электрического и магнитного полей; - вектора электрической и магнитной индукций © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 Г. А. Лоренц (1853– 1928), Нобелевская премия по физике (1902 г. )

3. 1. 2. Материальные уравнения СИСТЕМА СИ ГАУССОВСКАЯ СИСТЕМА Эти уравнения описывают отклик вещества (среды) на ЭМ поле возникновение электрического дипольного момента единицы объема – поляризации среды и магнитного момента единицы объема – намагниченности среды, а также тока проводимости: после взаимодействия до взаимодействия взаимодействие ЭМ поле Например, до взаимодействия могло быть после взаимодействия - © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

Для изотропной среды (свойства не зависят от направления) уравнения Максвелла-Лоренца имеют вид (система СИ): - система уравнений Максвелла—Лоренца установлена Максвеллом в 1873 г. для более общего случая электромагнитных полей в материальных средах и Лоренцем в 1895 г. для системы зарядов, движущихся в вакууме. Уравнения Максвелла—Лоренца не вытекают из каких -либо более общих теоретических положений, но являются обобщенной записью наблюдавшихся на опыте фактов Нобелевская премия по физике (1902 г. ) - вектора напряженностей электрического и магнитного полей; - вектора электрической и магнитной индукций © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 Г. А. Лоренц (1853– 1928) Дж. Максвелл (1831 -1879) ФОТОНИКА

Соотношения связи между основными величинами: где - вектора электрической поляризации и намагниченности Применим ко второму уравнению Максвелла оператор rot, тогда Откуда где © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 - скорость света в вакууме ФОТОНИКА

Для диэлектрической (непроводящей) и немагнитной среды, модель которой наиболее часто используется в фотонике, а также в отсутствие зарядов и токов: Получим волновое уравнение типа © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 ФОТОНИКА

4. 4. ВЕКТОР ПОЙНТИНГА, ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ЭМ ПОЛЯ Введем по определению следующие величины: Величина Соотношение Плотность электромагнитной энергии Вектор Пойнтинга Теорема Пойнтинга Интенсивность © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 ФОТОНИКА

Если можно записать электрическую поляризацию и намагниченность в форме пропорциональности полям Тогда получаем где диэлектрическая м магнитная проницаемости связаны с соответствующими восприимчивостями соотношениями: Записанные соотношения предполагают, что нами сделаны определенные предположения о свойствах вещества: • безынерционность (поляризация и намагниченность точно повторяют, в тот же момент времени, поведение электрического и магнитного полей – нет запаздывания!); • локальность (значения полей поляризации и намагниченности в некоторой точке определяются значением полей в той же точке); • линейность (уравнения связей между полями линейны); • изотропности (восприимчивости описываются скалярными величинами). © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

Физические механизмы взаимодействия ЭМ поля с веществом: • свободные электрические заряды – вклад в электропроводность ; • связанные заряды – вклад в поляризацию ; • спины электронов и орбитальные токи атомов – вклад в намагниченность Из закона Ампера следует, что Из закона Кулона следует, что .