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光子帶背景知識

 釋懷齋 2025-05-01 發布于重慶
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光子時代

塞萊斯廷預言

光(光波的二象性)

光子

光態

光子帶(光子環)

昴星團

光子年


http://www.flbearing.cn/editarticle.aspx?articleid=351507960


光學克爾效應
克爾電光效應
法拉第效應
法拉第磁光效應
磁-光效應
磁光克爾效應

http://www.flbearing.cn/showweb/0/0/1152458008.aspx


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光子圖 


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光子貼圖TM 是一種技術,用于在使用 mental ray 渲染器 進行渲染時,生成焦散和全局照明的間接照明效果。當它計算間接照明時,mental ray 渲染器跟蹤光線所發出的光子。光子的軌跡通過場景,由對象反射或透射,直到最后到達漫反射表面。當它們到達表面時,光子存儲在光子貼圖中。
中文名
光子圖
類    型
技術
學    科
物理
應    用
mental ray 渲染器

目錄

光子圖簡介

生成光子貼圖非常耗費時間。為了改善性能,必須明確指定: 哪些光發出的光子用于間接照明。 哪些對象可以生成焦散或全局照明。 哪些對象可以接收焦散或全局照明。 生成和接收焦散的設置位于“對象屬性”對話框 > “mental ray”面板中。 光子貼圖只為那些能夠接收焦散、全局照明或兩者的對象存儲光子。 為了進一步減少生成光子貼圖所需要的時間,光子由軌跡深度控件限制。跟蹤深度限制光子被反射、折射或兩者影響的次數。 在動畫中,節省時間的另一個方法是重復使用光子貼圖文件。如果在動畫過程中照明沒有改變,那么計算并保存第一幀的光子貼圖文件,然后選擇“使用現有”選項來渲染后面的幀。 mental ray 渲染器將光子貼圖保存為 PMAP 文件。光子貼圖控件位于“渲染場景對話框”>“ 間接照明”面板 > 焦散和全局照明卷展欄中。

光子圖光子介紹

原始稱呼是光量子(light quantum),電磁輻射量子,傳遞電磁相互作用的規范粒子,記為γ。其靜止量為零,不帶電荷,其能量普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積,ε=hv,在真空中以光速c運行,其自旋為1,是玻色子。早在1900年,M.普朗克解釋黑體輻射能量分布時作出量子假設,物質振子與輻射之間的能量交換是不連續的,一份一份的,每一份的能量為hv;1905年A.愛因斯坦進一步提出光波本身就不是連續的而具有粒子性,愛因斯坦稱之為光量子;1923年A.H.康普頓成功地用光量子概念解釋了X光被物質散射波長變化的康普頓效應,從而光量子概念被廣泛接受和應用,1926年正式命名為光子。量子電動力學確立后,確認光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過發射或吸收光子而相互作用,正反帶電粒子對可湮沒轉化為光子,它們也可以在電磁場中產生。
光子從激光的相干光束中出射
光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少與波長相關, 波長越短, 能量越高。當一個光子被分子吸收時,就有一個電子獲得足夠的能量從而從內軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態變成了激發態。
光子具有能量,也具有動量,更具有質量,按照質能方程,E=mc2=hν,求出M=hν/c2,
光子由于無法靜止,所以它沒有靜止質量,這兒的質量是光子的相對論質量。
光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子,是一種規范玻色子。光子是電磁輻射的載體,而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子相比,光子的靜止質量為零,這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣,光子具有波粒二象性:光子能夠表現出經典波的折射、干涉、衍射等性質;而光子的粒子性則表現為和物質相互作用時不像經典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量,光子只能傳遞量子化的能量。對可見光而言,單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳,這樣大小的能量足以激發起眼睛上感光細胞的一個分子,從而引起視覺。除能量以外,光子還具有動量和偏振態。

光子圖光子與經典電磁理論

命名
光子起初被愛因斯坦命名為光量子 。 光子的現代英文名稱photon源于希臘文 φ?? (在羅馬字下寫為ph?s),是由物理化學家吉爾伯特·路易士在他的一個假設性理論中創建的。 在路易士的理論中, photon指的是輻射能量的最小單位,其“不能被創造也不能被毀滅”。 盡管由于這一理論與大多數實驗結果相違背而從未得到公認, photon這一名稱卻很快被很多物理學家所采用。 根據科幻小說作家、科普作家艾薩克·阿西莫夫的記載, 阿瑟·康普頓于1927年首先用photon來稱呼光量子。
在物理學領域,光子通常用希臘字母γ (音: Gamma )表示,這一符號有可能來自由法國物理學家維拉德 ( Paul Ulrich Villard )于1900年發現的伽瑪射線,伽瑪射線由盧瑟福和英國物理學家安德雷德 ( Edward Andrade )于1914年證實是電磁輻射的一種形式。 在化學和光學工程領域,光子經常被寫為h ν ,即用它的能量來表示;有時也用f來表示其頻率,即寫為h f 。
物理性質
用費曼圖表示的正電子 - 負電子散射(也叫做BhaBha散射 ),波浪線表示交換虛光子的過程
參見: 狹義相對論
從波的角度看,光子具有兩種可能的偏振態和三個正交的波矢分量,決定了它的波長和傳播方向;從粒子的角度看,光子靜止質量為零,電荷為零, 半衰期無限長。 光子是自旋為1的規范玻色子,因而輕子數 、 重子數和奇異數都為零。
光子的靜止質量嚴格為零,本質上和庫侖定律嚴格的距離平方反比關系等價,如果光子靜質量不為零,那么庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律。 所有有關的經典理論,如麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日量都依賴于光子靜質量嚴格為零的假設。 從愛因斯坦的質能關系和光量子能量公式可粗略得到光子質量的上限:M=HV/C^2
這里M即是光子質量的上限, V是任意電磁波的頻率,位于超低頻段的舒曼共振已知最低頻率約為7.8赫茲。
這個值僅比現在得到的廣為接受的上限值高出兩個數量級。
參見光子:規范玻色子一節中對光子質量的討論。
光子能夠在很多自然過程中產生,例如:在分子、 原子或原子核從高能級向低能級躍遷時電荷被加速的過程中會輻射光子,粒子和反粒子 湮滅時也會產生光子;在上述的時間反演過程中光子能夠被吸收,即分子、原子或原子核從低能級向高能級躍遷,粒子和反粒子對的產生。
在真空中光子的速度為光速,能量 和動量p之間關系為(公式缺); 相對論力學中一般質量為?的粒子的能量動量關系為(公式缺)。
光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關;或者說僅與波長λ有關光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關;或者說僅與波長λ有關 。
從而得到光子的動量大小為 ?
其中? 也叫做狄拉克常數或約化普朗克常數 , k是波矢,其大小也叫做狄拉克常數或約化普朗克常數 ,方向指向光子的傳播方向;?叫做波數 ;? 是角頻率 。 光子本身還攜帶有與其頻率無關的內秉角動量?: 自旋角動量 ?,其大小為光子本身 ,并且自旋角動量在其運動方向上的分量(這一分量在量子場論中被稱作helicity )一定為 ? ,兩種可能的值分別對應著光子的兩種圓偏振態(右旋和左旋)。
從光子的能量、動量公式可導出一個推論:粒子和其反粒子的湮滅過程一定產生至少兩個光子。 原因是在質心系下粒子和其反粒子組成的系統總動量為零,由于動量守恒定律 ,產生的光子的總動量也必須為零;由于單個光子總具有不為零的大小為 的動量,系統只能產生兩個或兩個以上的光子來滿足總動量為零。 產生光子的頻率,即它們的能量,則由能量-動量守恒定律 (四維動量守恒)決定。 而從能量-動量守恒可知,粒子和反粒子湮滅的逆過程,即雙光子生成電子-反電子對的過程不可能在真空中自發產生。
光子具有波粒二象性,即說光子像一粒一粒的粒子的特性又有像聲波一樣的波動性,光子的波動性有光子的衍射而證明,光子的粒子性是由光電效應證明。
上面有人認為光子的動質量為零是錯誤的,光子的靜質量為零,否則的話其動質量將為無窮大。但其動質量卻是存在的,計算方法是這樣的:首先,由于頻率為v的光子的能量為
E=hv,(其中h為普朗克常數),故由質能公式可得其質量為:m=E/c2=hv/c2
其中c^2表示光速的平方。該方法由愛因斯坦首先提出。
經典的波有群速度與相速度之分。
光子的速度就是光速。
光子有速度、能量、動量質量。光子不可能靜止。光子可以變成其它物質(如一對正負電子),但能量守恒、動量守恒。
華中科大羅俊教授重新確定光子靜止質量上限
華中科技大學教授重新確定光子靜止質量上限,有業內人士認為:光子靜止質量為零是經典電磁理論的基本假設之一。但有些科學家則認為,光子可能有靜止質量。如果實驗最終檢測到光子存在靜止質量,那么有些經典理論將要有所變化。
在2月28日出版的美國《物理學評論快報》(PhysicalReviewLetters) 上,有專文介紹說:“一項由中國科學家羅俊等完成的新的實驗表明,在任何情況下,光子的靜止質量都不會超過10的負54次方千克,這一結果是之前已知的光子質量上限的1/20?!绷_俊和他的同事通過一種新穎的實驗方法,在一個山洞實驗室里將光子靜止質量的上限,進一步提高了至少一個數量級。
據悉,如果光子存在靜止質量,雖然不會影響到人們的日常生活,但其產生的后果將是根本性的———例如,光速將隨波長的改變而變化,并且光波將像聲波一樣能夠產生縱向振動。

光子圖歷史發展

到十八世紀為止的大多數理論中,光被描述成由無數微小粒子組成的物質。由于微粒說不能較為容易地解釋光的折射、衍射雙折射等現象,笛卡爾(1637年) 、胡克(1665年)和惠更斯(1678年)等人提出了光的(機械)波動理論;但在當時由于牛頓的權威影響力,光的微粒說仍然占有主導地位。十九世紀初,托馬斯·楊菲涅爾的實驗清晰地證實了光的干涉和衍射特性,到1850年左右,光的波動理論已經完全被學界接受。1865年,麥克斯韋的理論預言光是一種電磁波,證實電磁波存在的實驗由赫茲1888年完成,這似乎標志著光的微粒說的徹底終結。
然而,麥克斯韋理論下的光的電磁說并不能解釋光的所有性質。例如在經典電磁理論中,光波的能量只與波場的能量密度(光強)有關,與光波的頻率無關;但很多相關實驗,例如光電效應實驗,都表明光的能量與光強無關,而僅與頻率有關。類似的例子還有在光化學的某些反應中,只有當光照頻率超過某一閾值時反應才會發生,而在閾值以下無論如何提高光強反應都不會發生。
與此同時,由眾多物理學家進行的對于黑體輻射長達四十多年(1860-1900)的研究因普朗克建立的假說而得到終結,普朗克提出任何系統發射或吸收頻率為
的電磁波的能量總是
的整數倍。愛因斯坦由此提出的光量子假說則能夠成功對光電效應作出解釋,愛因斯坦因此獲得1921年諾貝爾物理學獎。愛因斯坦的理論先進性在于,在麥克斯韋的經典電磁理論中電磁場的能量是連續的,能夠具有任意大小的值,而由于物質發射或吸收電磁波的能量是量子化的,這使得很多物理學家試圖去尋找是怎樣一種存在于物質中的約束限制了電磁波的能量只能為量子化的值;而愛因斯坦則開創性地提出電磁場的能量本身就是量子化的 。愛因斯坦并沒有質疑麥克斯韋理論的正確性,但他也指出如果將麥克斯韋理論中的經典光波場的能量集中到一個個運動互不影響的光量子上,很多類似于光電效應的實驗能夠被很好地解釋。在1909年 和1916年,愛因斯坦指出如果普朗克的黑體輻射定律成立,則電磁波的量子必須具有
的動量,以賦予它們完美的粒子性。光子的動量在1926年由康普頓在實驗中觀測到 ,康普頓也因此獲得1927年諾貝爾獎
愛因斯坦等人的工作證明了光子的存在,隨之而來的問題是:如何將麥克斯韋關于光的電磁理論和光量子理論統一起來呢?愛因斯坦始終未能找到統一兩者的理論,但如今這個問題的解答已經被包含在量子電動力學和其后續理論:標準模型中。

光子圖技術應用

這里討論的是光子在當今技術中的應用,而不是泛指可在傳統光學下應用的光學儀器(如透鏡)。激光是二十世紀光學最重要的技術之一,其原理是上文討論的受激輻射。
對單個光子的探測可用多種方法,傳統的光電倍增管利用光電效應:當有光子到達金屬板激發出電子時,所形成的光電流將被放大引起雪崩放電。電荷耦合元件(CCD)應用半導體中類似的效應,入射的光子在一個微型電容器上激發出電子從而可被探測到。其他探測器,如蓋革計數器利用光子能夠電離氣體分子的性質,從而在導體中形成可檢測的電流。
普朗克的能量公式
經常在工程和化學中被用來計算存在光子吸收時的能量變化,以及能級躍遷時發射光的頻率。例如在熒光燈發射光譜的設計中會用不同能級的電子去碰撞氣體分子,直到有合適的能級能夠激發出熒光
在某些情形下,單獨一個光子無能力激發一個能級的躍遷,而需要有兩個光子同時激發。這就提供了更高分辨率的顯微技術,因為樣品只有在兩束不同顏色的光所照射的高度重疊的部分之內才會吸收能量,而這部分的體積要比單獨一束光照射到并引起激發的部分小很多,這種技術被應用于雙光子激發顯微鏡中。而且,應用弱光照射能夠減小光照對樣品的影響。
有時候兩個系統的能級躍遷會發生耦合,即一個系統吸收光子,而另一個系統從中“竊取”了這部分能量并釋放出不同頻率的光子。這是熒光共振能量傳遞的基礎,被應用于測量分子間距中。
量子光學物理光學中相對于波動光學的另一個分支。光子可能是超快的量子計算機的基本運算元素,而在這方面重點研究的對象是量子糾纏態。非線性光學是當前光學另一個活躍的領域,它研究的課題包括光纖中的非線性散射效應、四波混頻、雙光子吸收、自相位調制、光學參量振蕩等。不過這些課題中并不都要求假設光子的存在,在建模過程中原子經常被處理為一個非線性振子。非線性效應中的自發參量下轉換經常被用來產生單光子態。最后,光子是光通信領域某些方面的關鍵因素,特別是在量子密碼學中。


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光學克爾效應  



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一種三階非線性光學效應。普通克爾效應是指介質在電場作用下,沿平行和沿垂直于電場方向偏振的光波的折射率n'和n”發生不同的變化,且它們之間的差值Δn正比于電場的二次方,從而出現感應雙折射現象。通常,所加電場是直流或低頻交變電場。當所加的是光頻電場時,如果光足夠強 ,也會發生同樣的現象。此時Δn正比于作用在介質中的激光束的光強。這稱為光學克爾效應。
中文名
光學克爾效應
外文名
The optical Kerr effect
屬    性
一種三階非線性光學效應
條    件
介質在電場作用下

目錄

光學克爾效應基本信息

產生光學克爾效應的非線性介質可以是液體、固體、氣體或原子蒸氣。產生的物理機制、效應的強弱都可以很不相同。有時也可以同時來源于幾種不同機制。
常見的物理機制有:
①在光的作用下能級粒子數分布發生了改變。這適用于有分立能級的原子、分子或固體體系。
②在光的作用下電子云分布發生了變化。這適用于原子或固體。
③光場感生的電致伸縮效應。這適用于液體、固體和高壓氣體。
④光場引起分子取向發生變化。適用于由各向異性分子組成的有機液體和溶液、分子晶體和液晶等。
⑤光場引起分子排列發生變化。適用于例如液態的惰性元素等。

光學克爾效應原理

通過對于來自光學克爾效應的雙折射的測量,能夠有效地測定各種介質的三階非線性極化率。由于不同介質產生的光學克爾效應有著不同的機制,通過光學克爾效應的研究還可以進行各種不同物質的物性研究,測量不同的微觀參量,例如分子取向的弛豫時間等。



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克爾電光效應  



同義詞 克爾效應一般指克爾電光效應
指與電場二次方成正比的電感應雙折射現象。放在電場中的物質,由于其分子受到電力的作用而發生取向(偏轉),呈現各向異性,結果產生雙折射,即沿兩個不同方向物質對光的折射能力有所不同。 這一現象是1875年J.克爾發現的。后人稱它為克爾電光效應,簡稱克爾效應。
中文名
克爾電光效應
外文名
Kerr electro-optic effect
領    域
光學
別    稱
克爾效應
本    質
電感應雙折射現象
相關名詞
磁光克爾效應

克爾電光效應簡介

在外電場作用下,液體就成為光學上的單軸晶體,其光軸同電場方向平行。通常的作法是:把液體裝在玻璃容器中,外加電場通過平行板電極作用在液體上,光垂直于電場方向通過玻璃容器,以觀察克爾電光效應。這種裝置稱為克爾盒。這時兩個主要折射率n0ne,分別稱為正常與反常折射率。容器中的液體稱為正或負雙折射物質,取決于ne-n0值的為正或負。
入射光通過克爾盒后,分裂成兩個分別以相速с/n0與с/ne傳播的線偏振光(с是真空中的光速),其偏振方向(電矢量方向)分別與外加電場垂直或平行。相速之差引起這兩個偏振光之間的相位差δ。如果入射光是波長為λ0單色光,則
式中x是光通過電場作用下媒質的程長,即平行板電極的長度。 [1] 

克爾電光效應理論介紹

克爾電光效應對于非線性材料,電動極化場p只會取決于電場:
其中ε0是真空介電常數,
是電極化率的n階的組成部分。“:”符號代表了矩陣之間的內積。我們可以更明確的描述這種關系,第i次組成的向量P可以表示為:
式中,i=1,2,3。通常假設
,即部分平行為x的極化場;
等等。
材料表現出不可忽視的克爾電光效應,第三個術語
是很重要的??紤]由光波頻率是ω的凈電場
以及外加電場
其中Eω是矢量振幅波。
結合這兩個方程產生一個復雜的表達。直流克爾效應,我們可以忽略所有的線性術語,這是類似的線性關系,兩極化和一個電場。對于非對稱的媒介(例如液體),這引起變化的敏感性產生變化折射率的方向電場:
λ0是真空波長,K是克爾常數。結合偏振片,它可以被用來作為快門或調制器。
K的值取決于媒介,并且大約為9.4×10-14mV-2。 [2] 

克爾電光效應三大效應

克爾電光效應克爾效應

也稱為二次電光(QEO)效應的克爾效應是材料響應于所施加的電場的折射率的變化。 克爾效應與普克爾效應不同,因為誘導的指數變化與電場的平方成正比,而不是線性變化。 所有材料顯示克爾效應,但某些液體比其他液體顯示更強烈。 克爾效應于1875年被蘇格蘭物理學家約翰·克爾(John Kerr)發現。 [3] 
通??紤]克爾效應的兩種特殊情況,這些都是克爾電光效應或克爾效應。
例如,電壓在電極材料的影響下的應用領域,材料成為雙折射,不同指標的折射光偏振平行或垂直應用領域。在不同的折射率,Δn是由
克爾電光效應   克爾電光效應
其中λ是光的波長,K是克爾常數,E是電場的強度。 當光線垂直于電場的方向入射到其上時,折射率的這種差異導致材料像波片一樣起作用。 如果材料放置在兩個“交叉”(垂直)線性偏振器之間,當電場關閉時不會發出光,而幾乎所有的光將被傳輸到電場的一些最佳值。 克爾常數的較高值允許通過較小的施加電場實現完整的傳輸。
一些極性液體,如硝基甲苯和硝基苯表現出非常大的克爾常數。 填充有這些液體之一的玻璃電池稱為克爾電池。 這些常用于調制光,因為克爾效應對電場的變化非??臁?這些設備的光可以在高達10GHz的頻率下進行調制。 由于克爾效應相對較弱,典型的克爾電池可能需要高達30kV的電壓才能實現完全透明。 這與Pockels電池相反,Pockels電池可以在更低的電壓下工作。 克爾細胞的另一個缺點是最好的可用材料硝基苯是有毒的。 一些透明晶體也被用于克爾調制,盡管它們具有較小的克爾常數。
在缺乏反轉對稱性的媒體中,克爾效應通常被更強大的普克爾效應掩蓋。 然而,克爾效應仍然存在,并且在許多情況下可以獨立于普克爾效應貢獻來檢測。

克爾電光效應光學克爾效應

光學克爾效應,或AC克爾效應是指其電場由光本身所產生的情況。這導致變異的折射率與輻射光本身的輻照度成正比。這種折射率的變化導致了的非線性光學效應的自聚焦、自相位調制以及調制不穩定性,并且是克爾透鏡鎖模的基礎。此效應僅在非常強烈的光束下才能較明顯的表現出來,比如激光。

克爾電光效應磁光克爾效應

在磁光克爾效應,根據反映的磁材料具有輕微旋轉偏振平面。它類似于法拉第效應下的兩極分化的透光旋轉。

克爾電光效應克爾效應實驗

克爾電光效應實驗原理

各向同性的介質如玻璃,石蠟,水,硝基苯等,在強電場作用下會表現出各向異性的光學性質,表現出雙折射現象。折射率差電場強度的平方成正比,稱為克爾效應。在兩平行平板之間加上高電壓,在電場作用下,由于分子的規律排列,這些介質就表現出象單軸晶體那樣的光學性質,光軸的方向就與電場的方向對應。當線偏振光沿著與電場垂直的方向通過介質時,分解為兩束線偏振光。一束的光矢量沿著電場方向,另一束的光矢量與電場垂直。

克爾電光效應方法

1.放入克爾盒,并轉動至消光位置;
2.接通克爾盒的偏轉電源,即可觀察到屏幕上有光亮。改變兩極板之間的電壓,可以觀察到屏幕上的光強會隨之變化;
3.保持兩極板之間的電壓不變,旋轉克爾盒,同樣可以觀察到屏幕上光強變化。

克爾電光效應注意事項

內盛某種液體(如硝基苯)的玻璃盒子稱為克爾盒,盒內裝有平行板電容器,加電壓后產生橫向電場??藸柡蟹胖迷趦烧?a target="_blank" data-lemmaid="3198438" style="text-decoration: none;">偏振片之間。無電場時液體為各向同性,光不能通過P2。存在電場時液體具有了單軸晶體的性質,光軸沿電場方向,此時有光通過P2(見偏振光的干涉)。實驗表明 ,在電場作用下,主折射率之差與電場強度的平方成正比。電場改變時,通過P2的光強跟著變化,故克爾效應可用來對光波進行調制。液體在電場作用下產生極化,這是產生雙折射性的原因。電場的極化作用非常迅速,在加電場后不到10-9秒內就可完成極化過程,撤去電場后在同樣短的時間內重新變為各向同性??藸栃倪@種迅速動作的性質可用來制造幾乎無慣性的光的開關——光閘,在高速攝影、光速測量和激光技術中獲得了重要應用。 [4] 
參考資料
  • 1.    馬曉薇, 彭宗仁. 基于克爾電光效應的新型CCD光電測試系統[J]. 高電壓技術, 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. 電光效應與電光開關[J]. 激光技術, 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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法拉第效應




在物理學里,法拉第效應(又叫法拉第旋轉,磁致旋光)是一種磁光效應(magneto-optic effect),是在介質內光波與磁場的一種相互作用。法拉第效應會造成偏振平面的旋轉,這旋轉與磁場朝著光波傳播方向的分量呈線性正比關系。
中文名
法拉第效應
外文名
Faraday effect
別    稱
磁致旋光效應
表達式
ψ=VBl
提出者
法拉第
提出時間
1845年
應用學科
物理
適用領域范圍
磁場

法拉第效應簡介

磁光效應是光與具有磁矩的物質共同作用的產物。磁光效應主要有三種,即:法拉第效應、克爾效應、塞曼效應。在光學電流傳感器領域,法拉第磁光效應的應用最為廣泛。光學電流傳感器中磁光介質即磁光效應中具有磁矩的物質,是決定光學電流傳感器性能的重要器件。具有磁矩的物質可以分為五大類,而在光學電流傳感器領域,順磁性物質的應用最為廣泛。
1845年,法拉第發現:當一束平面偏振光通過置于磁場中的磁光介質時,平面偏振光的偏振面就會隨著平行于光線方向的磁場發生旋轉。旋轉的這個角度稱之為法拉第旋轉角。 [1] 
也稱磁致旋光。在處于磁場中的均勻各向同性媒質內,線偏振光束沿磁場方向傳播時,振動面發生旋轉的現象。1845年M.法拉第發現在強磁場中的玻璃產生這種效應,以后發現其他非旋光的固、液、氣態物質都有這種效應。設磁感應強度為B,光在物質中經過的路徑長度為d,則振動面轉動的角度為
  
ψ=VBd, (1)
式中V稱為費爾德常數,與物質的性質、溫度以及光的頻率波長)有關。在一定物質中不論光是沿磁場方向或逆磁場方向傳播,振動面的轉向都一樣,只由磁場方向決定。若轉向與磁場方向成右手螺旋關系,該物質的V取為正值,即ψ>0。這樣,光來回傳播同樣距離后,其振動面的轉角等于單程轉角的兩倍。這是磁致旋光與天然旋光的區別(天然旋光情形,在來回傳播同樣距離后振動面恢復原來方位)。
法拉第效應與塞曼效應有密切聯系。磁場影響物質分子(原子)中電子的運動,使無磁場時的一條吸收線對于平行于磁場方向傳播的入射光分裂為兩條,分別對應于右旋和左旋圓偏振光的吸收線,二者頻率略有不同(倒塞曼效應);而且對于這兩種圓偏振光又有分別對應的色散曲線。最簡單情形如圖a所示(面對磁場的指向觀察)。這時,物質對任一頻率的兩種圓偏振光有不同的折射率n+(左旋)和n_(右旋),從而入射的線偏振光的振動面在傳播中發生旋轉,轉角為(圖1)
圖1   圖1
(2)
圖b中畫出n_-n+的曲線??梢钥闯?,圖中在吸收線之外ψ>0,而在吸收線之間ψ<0;在吸收線區域及其附近,ψ值很大。由于吸收線的裂距2Δω正比于B,在遠離吸收線區域n_-n+也近似正比于B,故有式(1)。天然旋光物質中發生磁致旋光現象時,應考慮上述兩種效應的疊加。鐵磁物質表現出很強的法拉第效應。這時ψ決定于物質中的磁化強度而不是外加磁場。

法拉第效應發現

1845 年法拉第(Michal Faraday)發現當線偏振光(見光的偏振)在介質中傳播時,若在平行于光的傳播方向上加一強磁場,則光振動方向將發生偏轉,偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比,即ψ=VBl,比例系數V稱為費爾德常數,與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應或磁致旋光效應。法拉第效應第一次顯示了光和電磁現象之間的聯系。促進了對光本性的研究。之后費爾德(Verdet)對許多介質的磁致旋轉進行了研究,發現法拉第效應在固體、液體和氣體中都存在。大部分物質的法拉第效應很弱,摻稀土離子玻璃的費爾德常數稍大。近年來研究的YIG等晶體的費爾德常數較大,從而大大提高了實用價值。

法拉第效應實驗原理

法拉第效應是磁場引起介質折射率變化而產生的旋光現象,實驗結果表明,光在磁場的作用下通過介質時,光波偏振面轉過的角度(磁致旋光角)與光在介質中通過的長度L及介質中磁感應強度在光傳播方向上的分量B成正比,即: [2] 
θ=VBL
式中V稱為費爾德常數,它表征物質的磁光特性。幾種材料的費爾德常數值如下表。
  
  
法拉第效應實驗裝置如圖所示。由光源產生的復合白光通過小型單色儀后可以獲得波長在360~800nm的單色光,經過起偏鏡成為單色線偏振光,然后穿過電磁鐵。電磁鐵采用直流供電,中間磁路有通光孔,保證人射光與磁場B方向一致。根據勵磁電流的大小可以求得對應的磁場值。入射光穿過樣品后從電磁鐵的另一極穿出人射到檢偏器上,透過檢偏器的光進入光電倍增管,由數顯表顯示光電流的大小,即出射光強的大小。根據出射光強最大(或最小)時檢偏器的位置讀數即可得出旋光角。檢偏器的角度位置讀數也由數顯表讀出。
由經典電子論對色散的解釋可得出介質的折射率和入射光頻率w 的關系為:
  
式中ω0是電子的固有頻率,磁場作用使電子固有頻率改變為(ωL±ω0)(ωL是電子軌道在外磁場中的進動頻率)。使折射率變為:
  
由菲涅耳的旋光理論可知,平面偏振光可看成由兩個左、右旋圓偏振迭加而成,上式中的正負號反映了這兩個圓偏振光折射率有差異,以R n 和L n 表示。它們通過長度為L的介質后產生的光程差為:
  
由它們合成的平面偏振光的磁致旋光角為:
  
通常,nR,nL,和n,相差甚微,故
  
將此代入上式,又因ωL?ω可略去ωL項,得:
  
可見括號項即為費爾德常數,表示V 值和介質在無磁場時的色散率、入射光波長等有關。由馬呂斯定律可知,平面偏振光通過磁場中的介質和檢偏器后的光強為:
  
α為檢偏器和起偏器透光軸的夾角,θ為法拉第磁致旋光角。當α=π/4時,
  
若磁場變化則:
  
表示此時由檢偏器輸出的光強將隨產生磁場的電流i(調制電流)線性地變化,這就是光強度的磁光調制原理。在α=π/4時,dI/d= 1,即此時調制系統的信號檢測靈敏度最高,失真最小。

法拉第效應分類

描述物體磁性強弱程度的一個重要物理量是磁化強度矢量M,即單位體積內各個磁疇磁矩的矢量和。磁化強度M與磁場強度H的關系表示為:
M =χH式中 χ 為物體的磁化率。
按照物質磁化率 χ 的大小和符號、物質磁性來源和磁結構特性,物質磁性可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性五大類,下面分別簡述五大類磁性的基本特點。
① 抗磁性
物質由原子和分子組成。自由原子的磁矩有三個主要來源:一是電子的自旋,二是電子繞原子核旋轉的軌道角動量,三是電子在外加磁場中旋轉所感生的軌道磁矩變化。第三個來源是產生抗磁性的原因,前兩個來源不同程度上對順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性有所貢獻??梢钥闯觯形镔|都存在第三個來源,因此抗磁性在所有物質中都存在。由于抗磁性極其微弱,故在具有其他磁性的物質中抗磁性常常被掩蓋。
抗磁性亦稱為逆磁性。電子在外磁場中運動所感生的磁矩,其方向與外磁場相反。
② 順磁性
物質具有順磁性的必要條件是組成物質的原子、分子或離子具有固有磁矩。但這些原子(分子或離子)磁矩之間相互作用十分微弱,在熱運動的影響下,基本上處于無序排列狀態;溫度越高,排列越無序。物質磁化以后,原子(分子或離子)磁矩就有沿外磁場方向排列的趨勢,外磁場越大,排列越趨整齊。由此可見,順磁性物質的磁化強度M 與外磁場 H ,方向相同,不過僅顯示微弱的磁性。
③ 鐵磁性
鐵磁性物質原子或離子的電子之間存在交換作用,這種相互作用十分強大,與其等效的“磁場”稱為分子場。如此大的分子場足以克服熱運動的影響,使原子(離子)磁矩相互平行排列(交換積分 A > 0)。隨著溫度的升高,熱運動漸趨劇烈,磁矩平行排列趨勢逐漸變弱,
但僅是量變過程。當溫度高于居里溫度即CT >T時,熱運動能大于交換作用能,從而導致原子(離子)磁矩混亂排列,此時鐵磁性轉變為順磁性。
鐵磁性物質是一類重要的磁性材料,其中有一些也是優良的磁光材料。
④ 反鐵磁性
絕大多數反鐵磁性物質,如 MnO 和 NiO 等都是導電性很差的化合物,其陽離子通常為過渡族金屬離子,近鄰配位離子為陰離子。金屬離子之間距離較大,它們的電子殼層幾乎不存在交疊。因此,反鐵磁性物質的原子或離子磁矩之間存在間接交換作用,而不是如鐵磁性物質那樣的直接交換作用。這種相互作用十分強,但是反映間接交換作用大小的量——間接交換積分A <0間接,導致相鄰金屬離子磁矩之間相互反平行。相同晶格位置上的平行離子磁矩組成一個壓晶格,稱為磁亞晶格,反鐵磁性物質中一般存在兩個或兩個以上磁亞晶格。
反鐵磁性物質的相鄰磁亞晶格的磁矩之間相互反平行,因此對外并不顯示磁性。在外磁場作用下,也只能出現微弱的磁性。由反鐵磁性轉變為順磁性的磁相變點NT 稱為奈爾溫度。在
NT 處,χ最大。
⑤ 亞鐵磁性
與反鐵磁性物質一樣,亞鐵磁性物質中具有兩個或兩個以上磁亞晶格。所不同的是,相鄰磁亞晶格的原子(離子)磁矩方向相反,但大小不等,從而存在未抵消的磁矩,因此亞鐵磁性物質中存在相當強的磁性;有許多特性,如技術磁化過程的不少特征與鐵磁性物質十分相似。 亞鐵磁性物質的磁化率 χ > 0,且很大。除鋇鐵氧體等永磁材料外,亞鐵磁性材料大多在高頻區域應用,對于χ特性的要求不同于低頻區域,有時對χ大小的要求顯得并不重要。亞鐵磁性物質的磁相變點稱為奈爾點。
⑥ 超順磁性
隨著納米材料的誕生和發展,一種新型的磁性物質出現了,稱為“超順磁性材料”。如果磁性材料是一單疇顆粒的集合體,對于每一個顆粒而言,由于磁性原子或離子之間的交換作用很強,磁矩之間將平行取向,而且磁矩取向在由磁晶各向異性所決定的易磁化方向上,但是顆粒與顆粒之間由于易磁化方向不同,磁矩的取向也就不同。

法拉第效應應用

法拉第效應可以應用于測量儀器。例如,法拉第效應被用于測量旋光度、或光波的振幅調變、或磁場的遙感。在自旋電子學里,法拉第效應被用于研究半導體內部的電子自旋的極化。法拉第旋轉器(Faraday rotator)可以用于光波的調幅,是光隔離器與光循環器(optical circulator)的基礎組件,在光通訊與其它激光領域必備組件。具體應用如下:
(1) 量糖計(自然旋光)
(2) 磁光開關與磁光調制器(點調制與空間調制)
(3) 磁光光盤:光信息存儲
(4) 磁光電流傳感器(或互感器):測量大電流
(5) 磁光隔離器:在光通信和級聯式激光器系統中用以隔離后續系統反饋的光信號
(6) 磁光偏頻器:零鎖區激光陀螺中通過產生偏頻來消除激光陀螺的閉鎖現象
法拉第效應可用于混合碳水化合物成分分析和分子結構研究。在激光技術中這一效應被利用來制作光隔離器和紅外調制器。該效應可用來分析碳氫化合物,因每種碳氫化合物有各自的磁致旋光特性;在光譜研究中,可借以得到關于激發能級的有關知識;在激光技術中可用來隔離反射光,也可作為調制光波的手段。
因為磁場下電子的運動總附加有右旋的拉穆爾進動,當光的傳播方向相反時,偏振面旋轉角方向不倒轉,所以法拉第效應是非互易效應。這種非互易的本質在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環行器、開關就是用旋轉角大的磁性材料制作的。

光學儀器

電力通論

參考資料
  • 1.    林森. 基于法拉第磁光效應的光學電流傳感器特性研究[D]. 重慶大學 2010
  • 2.    Longair, Malcolm. High Energy Astrophysics: Cambridge University Press,1992


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法拉第磁光效應  



法拉第磁光效應是指:通過磁光材料時它的偏振面將發生旋轉旋轉角θ正比于磁場沿著偏振光通過材料路徑的線積分θ=V·l式中V——材料的Verdet常數
中文名
法拉第磁光效應
概    念
一束線偏振光在磁場作用下
時    間
 1845年
發現者
由M.法拉第發現

目錄

法拉第磁光效應定義

法拉第磁光效應。當線偏振光(見光的偏振)在介質中傳播時,若在平行于光的傳播方向上加一強磁場,則光振動方向將發生偏轉,偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比,即ψ=VBl,比例系數V稱為費爾德常數,與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應磁致旋光效應。該效應可用來分析碳氫化合物,因每種碳氫化合物有各自的磁致旋光特性;在光譜研究中,可借以得到關于激發能級的有關知識;在激光技術中可用來隔離反射光,也可作為調制光波的手段。



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磁-光效應 




磁光效應是指強磁場對光和物質的相互作用的影響,隨著激光光電子學等新的科學技術的出現和發展,磁光效應越來越受到重視,在研究的廣度和深度上都有了極大的提升。
中文名
磁光效應
外文名
magneto-optical effect
提出者
法拉第

磁-光效應背景及簡介

磁光效應 [1]  是指處于磁化狀態的物質與光之間發生相互作用而引起的各種光學現象。包括法拉第效應克爾磁光效應、塞曼效應科頓-穆頓效應等。這些效應均起源于物質的磁化,反映了光與物質磁性間的聯系。 
  光與磁場中的物質,或光與具有自發磁化強度的物質之間相互作用所產生的各種現象,主要包括法拉第效應、科頓-穆頓效應、克爾磁光效應、塞曼效應和光磁效應,其中最為人所熟知的是磁光法拉第效應, 它指的是一束線偏振光通過某種透明介質時,透射光的偏振化方向與入射光的偏振化方向相比,轉過了一個角度,通常把這個角度叫做法拉第轉角.。
  
磁光存儲技術是建立在磁光效應基礎上的,與磁光存儲技術直接相關的是磁光克爾效應。磁光信息記錄在介質上以后,主要是利用磁光克爾效應讀出信息。磁光克爾效應指的是一束線偏振光在磁化了的介質表面反射時,反射光將是橢圓偏振光,而以橢圓的長軸為標志的“ 偏振面” 相對于入射偏振光的偏振面旋轉了一定的角度。這個角度通常被稱為磁光克爾轉角。

磁-光效應法拉第效應

線偏振光透過放置磁場中的物質,沿著磁場方向傳播時,光的偏振面發生旋轉的現象。也稱法拉第旋轉或磁圓雙折射效應,簡記為MCB。一般材料中,法拉第旋轉(用旋轉角θF表示)和樣品長度l、磁感應強度B有以下關系 θF=VlB,
V是與物質性質、光的頻率有關的常數,稱為費爾德常數。
因為磁場下電子的運動總附加有右旋的拉莫爾進動,當光的傳播方向相反時,偏振面旋轉角方向不倒轉,所以法拉第效應是非互易效應。這種非互易的本質在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環行器、開關就是用旋轉角大的磁性材料制作的。利用法拉第效應,還可實現光的顯示、調制等許多重要應用。

磁-光效應克爾磁光效應

線偏振光入射到磁化媒質表面反射出去時,偏振面發生旋轉的現象。也叫克爾磁光效應或克爾磁光旋轉。這是繼法拉第效應發現后,英國科學家J.克爾于1876年發現的第二個重要的磁光效應。
按磁化強度和入射面的相對取向,克爾磁光效應包括三種情況:
  • 極向克爾效應, 即磁化強度 M 與介質表面垂直時的克爾效應;
  • 橫向克爾效應, 即 M 與介質表面平行, 但垂直于光的入 射面時的克爾效應;
  • 縱向克爾效應, 即 M 既平行于 介質表面又平行于光入射面時的克爾效應(如下圖所示).
  
在磁光存儲技術中主要應用的是極向克爾效應。
法拉第效應和克爾效應示意圖   法拉第效應和克爾效應示意圖
極向和縱向克爾磁光旋轉都正比于樣品的磁化強度。通常極向克爾旋轉最大、縱向次之。偏振面旋轉的方向與磁化強度方向有關。橫向克爾磁光效應中實際上沒有偏振面的旋轉,只是反射率有微小的變化,變化量也正比于樣品的磁化強度。1898年P.塞曼等人證實了橫向克爾磁光效應的存在。克爾磁光效應的物理基礎和理論處理與法拉第效應的相同,只是前者發生在物質表面,后者發生在物質體內;前者出現于僅在有自發磁化的物質(鐵磁、亞鐵磁材料)中,后者在一般順磁介質中也可觀察到。它們都與介電張量非對角組元的實部、虛部有關。

磁-光效應塞曼效應

塞曼效應是荷蘭物理學家塞曼在 1896 年發現的。他發現,發光體放在磁場中時,光譜線發生分裂的現象。是由于外磁場對電子的軌道磁矩和自旋磁矩的作用,或使能級分裂才產生的。其中譜線分裂為2條(順磁場方向觀察)或3條(垂直于磁場方向觀察)的叫正常塞曼效應;3條以上的叫反常塞曼效應(見塞曼效應)。
塞曼效應證實了原子磁矩的空間量子化,為研究原子結構提供了重要途徑。塞曼效應也可以用來測量天體的磁場。1908 年美國天文學家海爾等人利用塞曼效應,首次測量到了太陽黑子的磁場。

磁-光效應磁光效應

當左、右旋圓偏振光在置于磁場中的媒質內傳播而有不同的吸收系數時,入射的線偏振光傳播一段距離后會變為橢圓偏振光,這個效應叫法拉第橢圓度效應或磁圓二向色性效應,簡記為MCD。法拉第橢圓度和法拉第旋轉均由媒質的介電張量非對角組元的實部和虛部決定。

磁-光效應科頓-穆頓效應

又稱磁雙折射效應,簡記為MLB??祁D-穆頓效應是 1907 年科頓和穆頓發現的。。佛克脫在氣體中也發現了同樣效應,稱佛克脫效應,它比前者要弱得多。當光的傳播方向與磁場垂直時,平行于磁場方向的線偏振光的相速不同于垂直于磁場方向的線偏振光的相速而產生的雙折射現象。其相位差正比于兩種線偏振光的折射率之差,同磁場強度大小的二次方成正比
當光的傳播方向與外磁場方向垂直時,媒質對偏振方向不同的兩種光的吸收系數也可不同。這就是磁的線偏振光的二向色性,稱磁線二向色性效應,簡記為MLD。
MCD、MLB、MLD的物理起因、宏觀表述及量子力學處理都與法拉第效應類同(實際上可同時完成)。MLB和MLD通常比MCB和MCD要弱得多,但它們與磁場強度(磁化強度)的二次方成正比。因此對這些效應的測量除能得到物質中能級結構的信息外,還能用于微弱磁性變化(單原子層的磁性)的研究。

磁-光效應磁光效應

克爾磁光效應的最重要應用就是觀察鐵磁材料中難以捉摸的磁疇。因不同磁疇區的磁化強度的不同取向使入射偏振光產生方向、大小不同的偏振面旋轉,再經過檢偏器后就出現了與磁疇相應的明暗不同的區域。利用現代技術,不但可進行靜態觀察,還可進行動態研究。這些都導致一些重要發現和關于磁疇、磁學參數的有效測量。

磁-光效應光磁效應

光照射物質后,物質磁性(如磁化率、磁晶各向異性、磁滯回線等)發生變化的現象。早在1931年就有光照引起磁化率變化的報道,但直到1967年R.W.蒂爾等人在摻硅的釔鐵石榴石 (YIG)中發現紅外光照射引起磁晶各向異性變化之后才引起人們的重視。這些效應多與非三價離子的代換有關,這種代換使亞鐵磁材料中出現了二價鐵離子,光照使電子在二、三價鐵離子間轉移,從而引起磁性的變化。因此,光磁效應是光感生的磁性變化,也稱光感效應。當然這只是一種機制,其他機制的光磁效應在光存儲、光檢測、光控器件方面的應用還在研究之中。

磁-光效應磁光效應的應用

雖然法拉第早在 1845 年就發現了磁光效應,但在其后相當長的時間內并未獲得實質性的應用,只是不斷在發現新的磁光效應和建立初步的磁光理論。直到 1956 年,貝爾實驗室②③在偏光顯微鏡下,應用透射光觀察到釔鐵石榴 單晶材料中的磁疇結構,才使得磁光效應的研究向應用領域發展 [2]  。特別是上世紀60年代,由于激光的誕生及光電子技術的開發,對物質的磁性和磁光性能的研究才走上快速發展道路。

磁-光效應磁光隔離器

隨著光纖通信、光信息處理和磁光記錄等技術的高速發展,光源的穩定性和魯棒性就顯得至關重要。各種反射光都會嚴重干擾光源的正常輸出,從而影響了整個系統的正常工作。磁光隔離器通過防止反向傳輸的干擾光對光源的影響,提高系統的工作穩定性,實現正向通過,反向隔離的目的。

磁-光效應磁光調制器

磁光調制器是利用偏振光,通過磁光介質,透射光的偏振面發生旋轉來對光束進行調制的一種工具。磁光調制器可用作紅外檢測器的斬波器,紅外輻射高溫計、高靈敏度偏振計等。磁光調制器的工作原理是將電信號先轉換成與之對應的交變磁場,再由磁光效應改變在介質中傳輸的光波的偏振態,從而達到改變光強等參的目的。

磁-光效應磁光傳感器

光纖電流傳感器具有很好的絕緣性和抗干擾能力以及較高的測量精度,容易小型化。磁光效應傳感器就是利用激光技術發展而成的高性能傳感器。光纖電流傳感器是根據法拉第效應原理,當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時,光的偏振方向發生改變來實現傳感器的功能。磁光效應傳感器作為一種特定用途的傳感器,能夠在特定的環境中發揮自己的功能,也是一種非常重要的工業傳感器。

磁-光效應磁光環行器

隨著光纖通信技術在通信領域的應用,具有光的非互易性和自光行進方向耦合端循環的磁光環行器被廣泛應用于光纖通信技術中。利用環行器可在一根光纖內傳輸兩個不同方向的信號,從而大大減小了系統的體積和成本。

磁-光效應磁光存儲記錄

磁光記錄是近年來發展起來的高新技術,是存儲技術的一大飛躍發展。磁光記錄是目前最先進的信息存儲技術,它兼有磁記錄和光記錄兩者的優點,磁光記錄兼有光記錄的大容量和磁記錄的可重寫性。磁光記錄利用磁光克爾效應對記錄信號進行讀出。
磁光存儲記錄   磁光存儲記錄

磁-光效應總結與展望

隨著時代的進步、科學技術的發展,對磁光特性的研究必將日益深入,新的磁光材料 [3]  也會不斷被發現,隨著計算機科學技術的迅速發展, 磁存儲技術獲得巨大進步 , 無論是材料還是技術均日漸成熟,同時越來越多軟件的開發, 對信息存儲設備提出 更高記錄密度、更大存儲容量、體積小、成本低的新要求.磁光學必將獲得更大的發展,磁光材料、器件和測量技術將會展現出更廣闊的應用空間。

電力通論

參考資料
  • 1.    劉公強等.磁光學:上海科學技術出版社,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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磁光克爾效應 



線偏振光(由左旋圓偏振光和右旋圓偏振光所組成)入射于磁性材料反射后,由于左旋圓偏振光與右旋圓偏振光在樣品中傳播速率不同而產生相位差,再加上左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的吸收程度不同而造成振幅不相同,經過樣品反射后,轉為橢圓偏振光的現象,稱為磁光克爾效應。
中文名
磁光克爾效應
外文名
Magneto-optical Kerr effect
簡    稱
MOKE
分類標準
按磁化方向不同進行分類
主要參數
克爾旋轉角、克爾橢偏率
應    用
磁光克爾測量系統

磁光克爾效應發現歷程

在1845年,Michael Faraday首先發現了磁光效應,他發現當外加磁場加在玻璃樣品上時,透射光的偏振面將發生旋轉的效應,隨后他在外加磁場之金屬 表面上做光反射的實驗,但由于他所謂的表面并不夠平整,因而實驗結果不 能使人信服。1877年John Kerr在觀察偏振化光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時,發現了磁光克爾效應(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和 Bader兩位學者進行鐵超薄膜磊晶成長在金單晶(100)面上的磁光克爾效應做了大量實驗,成功地得到一原子層厚度磁性物質之磁滯回線,并且提出了以SMOKE(surface magneto-optic Kerr effect的縮寫)來作為表面磁光克爾效應,用以表示應用磁光克爾效應在表面磁學上的研究。由于此方法致磁性解析靈敏度達一原子層厚度,且儀器配置合于超高真空系統之工作,因而成為表面磁學的重要研究方法。 表面磁光克爾效應實驗系統是表面磁性研究中的一種重要手段,它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向異性、層間耦合和磁性超薄膜的相變行為等方面的研究中都有重要應用。應用該系統可以自動掃描磁性樣品的磁滯回線,從而獲 得薄膜樣品矯頑力、磁各異性等方面的信息。
磁光信息存儲是近年發展起來的新技術,是對傳統信息存儲技術的革新。開發更多、性能更加優越,而且實用的磁光介質材料是當前信息存儲領域的一項重要的任務。測量磁光介質的克爾轉角則是研究這些材料的基本手段和方法。對于非開發人員來講,測量磁光克爾轉角的實驗一方面能夠提高進行物理綜合實驗的能力,另一方面對信息存儲的新技術將有更加深刻的理解,能啟發他們利用物理原理在信息存儲技術等領域提出新的設想,做出新的貢獻。 [1] 

磁光克爾效應效應原理

當一束單色線偏振光照射在磁光介質薄膜表面時,部分光線將發生透射,透射光線的偏振面與入射光的偏振面相比有一轉角,這個轉角被叫做磁光法拉第轉角(
)。而反射光線的偏振面與入射光的偏振面相比也有一轉角,這個轉角被叫做磁光克爾轉角(
),這種效應叫做磁光克爾效應。
磁光克爾效應包括三種情況:
(1)縱向克爾效應,即磁化強度既平行于介質表面又平行于光線的入射面時的克爾效應;克爾信號的強度隨入射角的減小而減小,垂直入射時為0??v向克爾信號中克爾旋轉角和克爾橢偏率都比極向克爾信號小一個數量級。從而縱向克爾信號的探測比極向難。但對于薄膜樣品來說,易磁軸一般平行于樣品表面,縱向配置下樣品的磁化強度才容易達到飽和,因此縱向克爾效應對平面內的磁化相當敏感。
(2)極向克爾效應,即磁化強度與介質表面垂直時發生的克爾效應;通常情況下極向克爾效應的強度隨入射角的減小而增大,在垂直入射時達到最大。并且克爾旋轉角最大最明顯。
(3)橫向克爾效應,即磁化強度與介質表面平行時發生的克爾效應;其反射光的偏振狀態沒有變化,因為這種配置下光電場與磁化強度矢積的方向永遠沒有與光傳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)入射時才有一個很小的反射率的變化(一般來講只造成長度的跳變,不會造成極化平面的旋轉)。 [2] 
從左到右分別為極向克爾效應、縱向克爾效應、橫向克爾效應   從左到右分別為極向克爾效應、縱向克爾效應、橫向克爾效應 [2]
對于已經寫入了信息的磁光介質,要讀出所寫的信息則需要利用磁光克爾效應來進行。具體方法是:將一束單色偏振光聚焦后照射在介質表面上的某點,通過檢測該點處磁疇的磁化方向來辨別信息的“0”或“1”。例如,被照射的點為正向磁化,則在該點的反射光磁光克爾轉角應為
,如圖《線偏振光經磁光介質薄膜反射時偏振面發生旋轉》所示,相反被照射的點為反向磁化,則在該點的反射光磁光克爾轉角應為
。因此,如果偏振分析器的軸向恰好調整為與垂直于記錄介質的平面成
夾角,那么在介質上反向磁化點的反射光線將不能通過偏振分析器,而在介質的正向磁化處,反射光則可以通過偏振分析器。這表明反射光的偏振面旋轉了
的角度.這樣,如果我們在經過磁光介質表面反射的光線后方,在通過偏振分析器后的光路上安放一光電檢測裝置(例如光電倍增管),就可以很方便地辨認出反射點是正向磁化還是反向磁化,也就是完成“0”和“1”的辨認。由此可見,磁光克爾轉角在磁光信息讀出時扮演著十分重要的角色。如果把磁光介質附著在可旋轉的圓盤表面,就構成了磁光盤。磁光盤旋轉時,如果同時有單色偏振光聚焦在磁光盤表面,就可實現光線的逐點掃描,即信息被連續讀出。
線偏振光經磁光介質薄膜反射時偏振面發生旋轉   線偏振光經磁光介質薄膜反射時偏振面發生旋轉

磁光克爾效應測量裝置

測量系統由以下5部分組成:
(1)光學減震平臺。
(2)光路系統,包括輸入光路與接收光路。激光器用普通半導體激光器,起偏和檢偏棱鏡都用格蘭一湯普遜棱鏡,光電檢測裝置由孔狀可調光闌、干涉濾色片和硅光電池組成。格蘭一湯普遜棱鏡的機械調節結構由角度粗調和螺旋測角組成,測微頭的線位移轉變為棱鏡轉動的角位移。測微頭分度值為0.01 mm,轉盤分度值為1,通過測微頭線位移的角位移定標可知其測量精度在2 左右。
(3)勵磁電源主機和可程控電磁鐵。勵磁電源主機可選擇磁場自動和手動掃描。
(4)前級放大器和直流電源組合裝置。a)將光電檢測裝置接收到的克爾信號作前級放大,并送入信號檢測主機中。b)將霍耳傳感器探測到的磁場強度信號作前級放大并送入檢測裝置。c)為激光器提供精密穩壓電源。
(5)信號檢測主機。將前置放大器傳來的克爾信號及磁場強度信號進行二級放大,分別經A/D轉換后送計算機處理,同時用數字電壓表顯示克爾信號及磁場強度信號的大小。D/A提供周期為20 s、40 s、80 S準三角波,作為勵磁電流自動掃描信號。 [3] 
磁光克爾測量系統簡圖   磁光克爾測量系統簡圖

磁光克爾效應應用前景

磁光克爾法是測量材料特性特別是薄膜材料物性的一種有效方法,表面磁光克爾效應作為表面磁學的重要實驗手段,已被廣泛應用于磁有序、磁各向異性、多層膜中的層間耦合以及磁性超薄膜間的相變行為等問題的研究。
參考資料
  • 1.    廖延彪.偏轉光學[M].北京:科學出版社,2005:137-140.
  • 2.    MOKE原理說明  .WEISTRON蘭道科技
  • 3.    朱偉榮,董國勝.一種測量薄膜磁性的表面磁光克爾效應裝置[J].真空科學與技術報,1997(17):243-246.
學術論文
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光的干涉 



光的干涉現象是波動獨有的特征,如果真的是一種,就必然會觀察到光的干涉現象。1801年,英國物理學家托馬斯·楊(1773~1829)在實驗室里成功地觀察到了光的干涉 [1]  。
兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加,在某些區域始終加強,在另一些區域則始終削弱,形成穩定的強弱分布的現象,證實了光具有波動性。
中文名
光的干涉
外文名
Interference of Light
發現時間
1801年
發現者
托馬斯·楊
現    象
在區域削弱,形成穩定強弱分布

目錄

光的干涉現象簡介

干涉圖樣

干涉圖樣

若干個光波(成員波)相遇時產生的光強分布不等于由各個成員波單獨造成的光強分布之和,而出現明暗相間的現象。例如在楊氏雙孔干涉(見楊氏干涉實驗)中,由每一小孔H1或H2出來的子波就是一個成員波,當孔甚小時,由孔H1出來的成員波單獨造成的光強分布 I1(x)在相當大的范圍內大致是均勻的;單由從孔H2出來的成員波造成的光強分布I2(x)亦如此。二者之和仍為大致均勻的分布。而由兩個成員波共同造成的光強分布I(x),則明暗隨位置x的變化十分顯著,顯然不等于I1(x)+l2(x) [2]  。
每個成員波單獨造成大致均勻的光強分布,這相當于要求各成員波本身皆沒有明顯的衍射,因為衍射也會造成明暗相間的條紋(見光的衍射)。所以,當若干成員波在空間某一區域相遇而發生干涉時,應該是指在該區域中可以不考慮每個成員波的衍射。
應注意,前面所說的光強并不是光場強度(正比于振幅平方)的瞬時值,而是在某一段時間間隔Δt內光場強度的平均值或積分值;Δt的長短視檢測手段或裝置的性能而定。例如,人眼觀察時,Δt就是視覺暫留時間;用膠片拍攝時,Δt則為曝光時間。
干涉現象通常表現為光場強度在空間作相當穩定的明暗相間條紋分布;有時則表現為,當干涉裝置的某一參量隨時間改變時,在某一固定點處接收到的光強按一定規律作強弱交替的變化。
光的干涉現象的發現,在歷史上對于由光的微粒說到光的波動說的演進起了不可磨滅的作用。1801年,T.楊提出了干涉原理并首先做出了雙狹縫干涉實驗,同時還對薄膜形成的彩色作了解釋。1811年,D.F.J.阿喇戈首先研究了偏振光的干涉現象?,F代,光的干涉已經廣泛地用于精密計量、天文觀測、光彈性應力分析、光學精密加工中的自動控制等許多領域。

光的干涉產生條件

光的干涉綜述

只有兩列光波的頻率相同,相位差恒定,振動方向一致的相干光源,才能產生光的干涉。由兩個普通獨立光源發出的光,不可能具有相同的頻率,更不可能存在固定的相差,因此,不能產生干涉現象

光的干涉具體方法

光的干涉   
光的干涉

為使合成波場的光強分布在一段時間間隔Δt內穩定,要求:
①各成員波的頻率v(因而波長λ )相同;
②任兩成員波的初位相之差在Δt內保持不變。條件②意味著,若干個通常獨立發光的光源,即使它們發出相同頻率的光,這些光相遇時也不會出現干涉現象。原因在于:通常光源發出的光是初位相作無規分布的大量波列,每一波列持續的時間不超過10秒的數量級,就是說,每隔10秒左右,波的初位相就要作一次隨機的改變。而且,任何兩個獨立光源發出波列的初位相又是統計無關的。由此可以想象,當這些獨立光源發出的波相遇時,只在極其短暫的時間內產生一幅確定的條紋圖樣,而每過10秒左右,就換成另一幅圖樣,迄今尚無任何檢測或記錄裝置能夠跟上如此急劇的變化,因而觀測到的乃是上述大量圖樣的平均效果,即均勻的光強分布而非明暗相間的條紋。不過,近代特制的激光器已經做到發出的波列長達數十公里,亦即波列持續時間為10秒的數量級。因此,可以說,若采用時間分辨本領Δt比10秒更短的檢測器(這樣的裝置是可以做到的),則兩個同頻率的獨立激光器發出的光波的干涉,也是能夠觀察到的。
另外,以雙波干涉為例還要求:
③兩波的振幅不得相差懸殊;
④在疊加點兩波的偏振面須大體一致。
當條件③不滿足時,原則上雖然仍能產生干涉條紋,但條紋之明暗區別甚微,干涉現象很不明顯。條件④要求之所以必要是因為,當兩個光波的偏振面相互垂直時,無論二者有任何值的固定位相差,合成場的光強都是同一數值,不會表現出明暗交替(欲觀察明暗交替,須借助于偏振元件)。
以上四點即為通常所說的相干條件。滿足這些條件的兩個或多個光源或光波,稱為相干光源或相干光波。

光的干涉產生相干光波

光的干涉綜述

由一般光源獲得一組相干光波的辦法是,借助于一定的光學裝置(干涉裝置)將一個光源發出的光波(源波)分為若干個波。由于這些波來自同一源波,所以,當源波的初位相改變時,各成員波的初位相都隨之作相同的改變,從而它們之間的位相差保持不變。同時,各成員波的偏振方向亦與源波一致,因而在考察點它們的偏振方向也大體相同。一般的干涉裝置又可使各成員波的振幅不太懸殊。于是,當光源發出單一頻率的光時,上述四個條件皆能滿足,從而出現干涉現象。當光源發出許多頻率成分時,每一單頻成分(對應于一定的顏色)會產生相應的一組條紋,這些條紋交疊起來就呈現彩色條紋 [3]  。
這里補充一下托馬斯·楊當年獲取相干光的方法:利用在雙孔之前加一小孔S,根據惠更斯原理,經小孔S衍射的光成為一球面波,從而獲得相干光。一般采用相干性很好的激光來進行實驗,不需要小孔S,直接將激光照射在雙孔上即可獲得干涉圖樣。

光的干涉分波陣面法

分波陣面法。將點光源的波陣面分割為兩部分,使之分別通過兩個光具組,經反射、折射或衍射后交迭起來,在一定區域形成干涉。由于波陣面上任一部分都可看作新光源,而且同一波陣面的各個部分有相同的位相,所以這些被分離出來的部分波陣面可作為初相位相同的光源,不論點光源的位相改變得如何快,這些光源的初相位差卻是恒定的。楊氏雙縫、菲涅耳雙面鏡洛埃鏡等都是這類分波陣面干涉裝置。

光的干涉分振幅法

振幅法。當一束光投射到兩種透明媒質的分界面上,光能一部分反射,另一部分折射。這方法叫做分振幅法。最簡單的分振幅干涉裝置是薄膜,它是利用透明薄膜的上下表面對入射光的依次反射,由這些反射光波在空間相遇而形成的干涉現象。由于薄膜的上下表面的反射光來自同一入射光的兩部分,只是經歷不同的路徑而有恒定的相位差,因此它們是相干光。另一種重要的分振幅干涉裝置,是邁克耳孫干涉儀

光的干涉干涉條紋

在各種干涉條紋中,等傾干涉條紋等厚干涉條紋是比較典型的兩種。以上假定光源發出的是單色光(或者用濾光片從光源所發的許多波長的光中取出某一單色光)。當光源發出的許多波長的光皆發生干涉時,會形成彩色干涉條紋(見白光條紋)。

光的干涉干涉分類

光的干涉雙光波干涉

即兩個成員波的干涉。楊氏雙孔和雙縫干涉、菲涅耳雙鏡干涉及牛頓環等屬于此類。雙光波干涉形成的明暗條紋都不是細銳的,而是光強分布作正弦式的變化,這就是雙光波干涉的特征 [4]  。多光波干涉則可形成細銳的條紋。

光的干涉多光波干涉

光的干涉

光的干涉

即多于兩個成員波的干涉。陸末-格爾克片干涉屬于此類。圖中A為平行平板玻璃,一端開有傾斜的入射窗BC。從S發出的源波經BC進入玻璃片后在其上、下表面間多次反射。每次在上表面反射時,皆同時有一波折射入空氣中。所有各次折射入空氣中的波就是從同一源波按分振幅方式造成的一組成員波。在透鏡L 的焦平面Π上觀測干涉條紋。相鄰兩波在P點的位相差為式中λ 為光波在真空中的波長,n為玻璃的折射率,t為玻璃片厚度,β 為玻璃片內的光程輔助線與表面法線的夾角。在接收面光強分布的條紋十分細銳,這是多光波干涉的特征。

光的干涉偏振光的干涉

在以上所舉的干涉中,各成員波在考察點處可認為偏振方向大體一致。當參與干涉的兩個成員波的偏振面夾有一定角(例如 90°)時,如何產生干涉見偏振光的干涉

光的干涉應用

公式2

公式2


根據光的干涉原理可以進行長度的精密計量。例如用邁克耳孫干涉儀校準塊規的長度。其方法如下,用單色性很好的激光束(波長為 λ)作為光源,并在邁克耳孫干涉儀的可動鏡臂上裝有精密的觸頭,先使觸頭接觸塊規的一端,然后撤去塊規,令可動鏡移動。這時,每移動λ/2,兩臂中光路的光程差就增加λ,從而置于干涉視場中心的檢測器就輸出一次強弱變化,使記數器的數字增加 1。直到觸頭接觸基面(塊規的另一端面原來放在基面上)為止。若記數器總共增加的數為n,則測得塊規的長度為精密的裝置可以把n精確到±0.1以下,于是測量長度的誤差不超過±λ/20。
利用干涉現象還可以檢測加工過程中工件表面的幾何形狀與設計要求之間的微小差異。例如要加工一個平面,則可首先用精密工藝制造一個精度很高的平面玻璃板(樣板)。使樣板的平面與待測件的表面接觸,于是此二表面間形成一層空氣薄膜。若待測表面確是很好的平面,則空氣膜到處等厚或者是規則的楔形。當光照射時,薄膜形成的干涉光強呈一片均勻或是平行、等間隔的直條紋。如果待測表面在某些局域偏離了平面,則此處的干涉光強與別處不同或者干涉條紋在該處呈現彎曲。從條紋變異的情況可以推知待測表面偏離平面的情況。偏離量為波長的若干分之一是很容易觀察得到的。

光的干涉說明

①在交迭區域內各處的強度如果不完全相同而形成一定的強弱分布,顯示出固定的圖象叫做干涉圖樣。也即對空間某處而言,干涉迭加后的總發光強度不一定等于分光束的發光強度的迭加,而可能大于、等于或小于分光束的發光強度,這是由波的疊加原理決定的(即波峰和波峰相加為兩倍的波峰)。
②通常的獨立光源是不相干的。這是因為光的輻射一般是由原子的外層電子激發后自動回到正常狀態而產生的。由于輻射原子的能量損失,加上和周圍原子的相互作用,個別原子的輻射過程是雜亂無章而且常常中斷,持續對同甚短,即使在極度稀薄的氣體發光情況下,和周圍原子的相互作用已減至最弱,而單個原子輻射的持續時間也不超過10^-8秒。當某個原子輻射中斷后,受到激發又會重新輻射,但卻具有新韻初相位。這就是說,原子輻射的光波并不是一列連續不斷、振幅和頻率都不隨時間變化的簡諧波,即不是理想的單色光,而是如圖所示,在一段短暫時間內(如τ=10-8s)保持振幅和頻率近似不變,在空間表現為一段有限長度的簡諧波列。此外,不同原子輻射的光波波列的初相位之間也是沒有一定規則的。這些斷續、或長或短、初相位不規則的波列的總體,構成了宏觀的光波。由于原子輻射的這種復雜性,在不同瞬時迭加所得的干涉圖樣相互替換得這樣快和這樣地不規則,以致使通常的探測儀器無法探測這短暫的干涉現象。
盡管不同原子所發的光或同一原子在不同時刻所發的光是不相干的,但實際的光干涉對光源的要求并不那么苛刻,其光源的線度遠較原子的線度甚至光的波長都大得多,而且相干光也不是同一時刻發出的。這是因為實際的干涉現象是大量原子發光的宏觀統計平均結果,從微觀上來說,光子只能自己和自己干涉,不同的光子是不相干的;但是,宏觀的干涉現象卻是大量光子各自干涉結果的統計平均效應。
③由于六十年代激光的問世,已使光源的相干性大大提高,同時快速光電探測儀器的出現,探測儀器的時間響應常數縮短,以至可以觀察到兩個獨立光源的干涉現象。另,在高中課本中,已經有光的干涉實驗,用激光或者同一燈泡通過雙縫進行實驗)。
1963年瑪格亞和曼德用時間常數為10^-8~10^-9秒的變像管拍攝了兩個獨立的紅寶石激光器發出的激光的干涉條紋??赡恳暦直娴母缮鏃l紋有23條。
相干光的獲得。對于普通的光源,保證相位差恒定成為實現干涉的關鍵。為了解決發光機制中初相位的無規則迅速變化和干涉條紋的形成要求相位差恒定的矛盾,可把同一原子所發出的光波分解成兩列或幾列,使各分光束經過不同的光程,然后相遇。這樣,盡管原始光源的初相位頻繁變化,分光束之間仍然可能有恒定的相位差,因此也可能產生干涉現象


光的干涉

光的干涉

⑤光的干涉現象是光的波動性的最直接、最有力的實驗證據。光的干涉現象是牛頓微粒模型根本無法解釋的,只有用波動說才能圓滿地加以解釋。由牛頓微粒模型可知,兩束的微粒數應等于每束光的微粒之和,而光的干涉現象要說明的卻是微粒數有所改變,干涉相長處微粒數分布多;干涉相消處,粒子數比單獨一束光的還要少,甚至為零。這些問題都是微粒模型難以說明的。再從另一角度來看光的干涉現象,它也是對光的微粒模型的有力的否定。因為光總是以3×10^8m/s的速度在真空中傳播,不能用人為的方法來使光速作任何改變(除非在不同介質中,光速才有不同。但對于給定的一種介質,光速也是一定的)。干涉相消之點根本無光通過。那么按照牛頓微粒模型,微粒應該總是以3×10^8m/s的速度作直線運動,在干涉相消處,這些光微粒到那里去了呢?如果說兩束微粒流在這些點相遇時,由于碰撞而停止了,那么停止了的(即速度不再是3×10^8m/s,而是變為零)光微粒究竟是什么東西呢?如果說是移到干涉相長之處去了,那么又是什么力量使它恰恰移到那里去的呢?所有這些問題都是牛頓微粒模型根本無法回答的。然而波動說卻能令人信服地解釋它,并可由波在空間按一定的位相關系迭加來定量地導出干涉相長和相消的位置以及干涉圖樣的光強分布的函數解析式。
因此干涉現象是波的相干迭加的必然結果,它無可置疑地肯定了光的波動性,我們還可進一步把它推廣到其他現象中去,凡有強弱按一定分布的干涉圖樣出現的現象,都可作為該現象具有波動本性的最可靠最有力的實驗證據。
參考資料
  • 1.    劉思敏. 相干光學原理及應用[M]. 2001.
  • 2.    王振德.現代科技百科全書:[M].桂林:廣西師范大學出版社,
  • 3.    [英]艾倫·艾薩克斯.麥克米倫百科全書:[M].杭州:浙江人民出版社
  • 4.    徐漢屏. “光的干涉”分類例析[J]. 中學生數理化(高考數學), 2010(2).

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光的衍射 



光在傳播過程中,遇到障礙物或小孔時,光將偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物后面傳播的現象,叫光的衍射(Diffraction of light) [1]  。
光的衍射和光的干涉一樣證明了光具有波動性。
中文名
光的衍射
外文名
Diffraction of light
意    義
證明了光具有波動性
屬    于
波動光學

目錄

光的衍射簡介

光波遇到障礙物以后會或多或少地偏離幾何光學中直線傳播定律的現象。幾何光學表明,光在均勻媒質中按直線定律傳播,光在兩種媒質的分界面按反射定律折射定律傳播。但是,光是一種電磁波,當一束光通過有孔的屏障以后,其強度可以波及到按直線傳播定律所劃定的幾何陰影區內,也使得幾何照明區內出現某些暗斑或暗紋 [2]  。總之,衍射效應使得障礙物后空間的光強分布既區別于幾何光學給出的光強分布,又區別于光波自由傳播時的光強分布,衍射光強有了一種重新分布。衍射使得一切幾何影界失去了明銳的邊緣。意大利物理學家和天文學家F.M.格里馬爾迪在17世紀首先精確地描述了光的衍射現象,150年以后,法國物理學家A.-J.菲涅耳于19世紀最早闡明了這一現象。

光的衍射相關介紹

光的衍射

光的衍射

光的衍射

光的衍射

光波遇到障礙物以后會或多或少地偏離幾何光學傳播定律的現象。

包括:單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑
光在傳播過程中,遇到障礙物或小孔(窄縫)時,它有離開直線路徑繞到障礙物陰影里去的現象。這種現象叫光的衍射
夫瑯禾費衍射

夫瑯禾費衍射

衍射時產生的明暗條紋或光環,叫衍射圖樣實驗室里為了觀察衍射現象,總是由光源、衍射屏和接收衍射圖樣的屏幕(稱為接收屏)組成一個衍射系統。為了研究的方便,通常根據衍射系統中三者的相互距離的大小,將衍射現象分為兩類,一類稱為菲涅耳衍射,另一類稱為夫瑯禾費(J.Fraunhofer,1787- 1826)衍射。所謂菲涅耳衍射,就是當光源到衍射屏的距離或接收屏到衍射屏的距離不是無限大時,或兩者都不是無限大時所發生的衍射現象??梢娫诜颇苌渲?,入射光或衍射光不是平行光,或兩者都不是平行光,如圖13-15(a)所示。所謂夫瑯禾費衍射,就是當光源到衍射屏的距離和接收屏到衍射屏的距離都是無限大時,所發生的衍射現象??梢娫诜颥樅藤M衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一點的光都是平行光,如圖13-15(b)所示。夫瑯禾費衍射的條件在實驗室里可借助于透鏡實現。將光源放置在會聚透鏡L1的焦點上,則從L1透射的光,即衍射孔的入射光就是平行光;同時將接收屏放置在會聚透鏡L2的焦面上,則到達接收屏上任意一點的衍射光也是平行光。


光的衍射產生條件

產生衍射的條件是:由于光的波長很短,只有十分之幾微米,通常物體都比它大得多,所以當光射向一個針孔、一條狹縫、一根細絲時,可以清楚地看到光的衍射。用單色光照射時效果好一些,如果用復色光,則看到的衍射圖案是彩色的 [3]  。

光的衍射光的特點

光的衍射現象的觀察和特點。衍射是一切波所共有的傳播行為。日常生活中聲波的衍射、水波的衍射、廣播段無線電波的衍射是隨時隨地發生的,易為人覺察。但是,可見光的衍射現象卻不易為人們所覺察,這是因為可見光的波長很短,以及普通光源是非相干的面光源。當用一束強光照明小孔、圓屏、狹縫、細絲、刀口、直邊等障礙物時,在足夠遠的屏幕上會出現一幅幅不同的衍射圖樣。在實驗室中,過去用碳弧燈這類強點光源,而廣泛采用氦氖激光器作光源來顯示衍射現象,收到了良好的效果(圖1)。衍射現象具有兩個鮮明的特點 [4]  :
光束在衍射屏上的某一方位受到限制,則遠處屏幕上的衍射強度就沿該方向擴展開來。
②若光孔線度越小,光束受限制得越厲害,則衍射范圍越加彌漫。理論上表明光孔橫向線度ρ與衍射發散角
Δθ之間存在反比關系
ρΔθλ。
當光孔線度遠遠大于光波長λ時,衍射效應很不明顯,近似于直線傳播。當光孔線度逐漸變小,衍射效應逐漸明 顯,在遠處便出現亮暗分布的衍射圖樣。當光孔線度小到可以同光波長相比擬時
光的衍射課件   光的衍射課件
,衍射效應極為明顯,衍射范圍彌漫整個視場,過渡為散射情形。
惠更斯-菲涅耳原理  是處理光的衍射的近似理論,惠更斯-菲涅耳原理可以表述為:波陣面上的每個面元d,可看成為一個新的振源(次波源),它們發出次波;波場中任意處P點的擾動是所有次波到達該點的次級擾動的相干疊加(圖2)。
如用復振幅(包括振幅和位相)描述波場,若一個次波到達場點的次級擾動為d堚(P), 則場點的總擾動為
式中次級擾動的振幅和位相由以下諸因素決定:
──次波源的微分面積,
觀察儀器   觀察儀器
──次波源本身的復振幅,
──次波源發射球面波
──傾斜因子,說明次波面源的發射具有一定的方向性。
光的具體形式
60余年后,G.R.基爾霍夫從定態波場的亥姆霍茲方程出發,利用矢量場論中的格林公式,在kr1近似條件下,導出了無源空間邊值定解的積分形式為式中各量的意義參見圖3,并指明凡
光的衍射   光的衍射
是隔離實際點光源與場點的任意閉合面都可以作為積分面(波陣面),它不一定是等相面。上式稱為菲涅耳-基爾霍夫衍射積分公式,它與由樸素的物理思想所構造的衍射積分相比較,兩者的主體部分是相同的,只是前者明確地給出了傾斜因子和比例系數的具體形式。
顯然,惠更斯-菲涅耳原理的提出不是為了解決光的自由傳播問題,而是為了求解光通過衍射屏以后的衍射場。為此,取波陣面為包括光孔面o、光屏面1和無窮遠處的半球面2等三部分構成的閉合面。基爾霍夫進一步提出(圖4):0面上的光場堚0(Q)取自由波場,1面上的光場取0,無窮遠面上的光場對場點的貢獻為0,這稱為基爾霍夫邊界條件的假設。于是菲涅耳-基爾霍夫衍射公式中的積分區域就限于光孔面?;鶢柣舴蜻吔鐥l件的假設看來是比較自然的,但它并不嚴格成立。光是電磁波,嚴格的衍射理論應是高頻電磁場的矢量波理論。光屏是實物組成的,應考慮光與屏物質(導體或電介質)的相互作用,結果就擾動了光孔面上的原有光場,而且也不會使得光屏面上的光場斷然為0。但是理論表明,嚴格的邊界條件與基爾霍夫邊界條件給出的場分布的顯著差
光的衍射觀察儀器   光的衍射觀察儀器
異,僅局限于光屏或光孔邊緣鄰近區域波長量級的范圍內。對于光波,由于其波長往往比光孔的線度小很多,故采用基爾霍夫邊界條件所產生的誤差不大。但是,對于無線電波的衍射就需要用較嚴格的電磁理論。于是,菲涅耳-基爾霍夫衍射積分式中的積分面只遍及光場不等于零的光孔面0。在光孔和接收范圍滿足旁軸條件下,傾斜因子,衍射積分簡化為式中r0是衍射屏中心到場點的距離,上式是計算衍射場的一個實用公式。
衍射系統和衍射屏函數
從衍射積分(傍軸)式中可以看出,對各種衍射屏來說積分核是相同的,衍射場的不同分
光的衍射   光的衍射
布是由瞳函數堚0(Q)或光場不等于零的光孔面0的形狀和大小等兩方面的差別而引起的??赡軐е鹿獠ㄑ苌涞恼系K物(屏)的品種是多種多樣的,凡是使波陣面上的復振幅分布發生改變的物,統稱為衍射屏。衍射屏可以是反射物或透射物,諸如圓孔、矩孔、單縫等一類中間開孔型的,有小球、細絲、墨點、顆粒等一類中間阻擋型的,有反射閃耀光柵、透射黑白光柵、菲涅耳波帶片、正弦型光柵等周期型的,也可以是景物的一幅底片、一張圖像、一頁數碼字符等復雜型的,還可能是透鏡棱鏡等一類位相型的衍射屏。
以衍射屏為界,整個衍射系統分成前后兩部分(圖5)。前場為照明空間,充滿照明光波;后場為衍射空間,充滿衍射光波。照明光波的波型一般比較簡單,常用球面波平面波,這兩種典型波的等相面與等幅面是重合的,屬于均勻波,其波場中沒有因光強起伏而出現的亮暗圖樣。衍射波比較復雜,它不是單純的一束球面波或平面波,其等相面與等幅面一般不重合,屬
光的衍射   光的衍射
于非均勻波,其波場中常有光強起伏形成的衍射圖樣。在衍射系統分析中注重三個場分布。一是衍射屏左側的入射場堚1(x,y),它是入射光波陣面函數;二是衍射屏右側的透射場堚2(x,y),當然也可以是反射場,它是衍射場波陣面函數;三是衍射波向前傳播而到達接收屏幕上的光場函數 堚(x′,y′)。將堚1場變換為堚2場的是衍射屏的作用,由堚2場導出堚場是衍射問題的基本提法,也是光的傳播問題的基本提法,其理論根據就是惠更斯-菲涅耳原理。由此可見,本質上說,光波衍射就是波陣面變換。

光的衍射衍射種類

光的衍射狹縫衍射

讓激光發出的單色光照射到狹縫上,當狹縫由很寬逐漸減小,在光屏上出現的現象怎樣?
當狹縫很寬時,縫的寬度遠遠大于光的波長,衍射現象極不明顯,光沿直線
光的衍射圖樣1   光的衍射圖樣1
傳播,在屏上產生一條跟縫寬度相當的亮線;但當縫的寬度調到很窄,可以跟光波相比擬時,光通過縫后就明顯偏離了直線傳播方向,照射到屏上相當寬的地方,并且出現了明暗相間的衍射條紋,紋縫越小,衍射范圍越大,衍射條紋越寬。但亮度越來越暗。
試驗:可以用游標卡尺調整到肉眼可辨認的最小距離,再通過此縫看光源。
光的衍射圖樣2   光的衍射圖樣2

光的衍射小孔衍射

當孔半徑較大時,光沿直線傳播,在屏上得到一個按直線傳播計算出來一樣
光的衍射   光的衍射
大小的亮光圓斑;減小孔的半徑,屏上將出現按直線傳播計算出來的倒立的光源的像,即小孔成像;繼續減小孔的半徑,屏上將出現明暗相間的圓形衍射光環。

光的衍射衍射應用

光的衍射決定光學儀器的分辨本領。氣體或液體中的大量懸浮粒子對光的散射,衍射也起重要的作用。在現代光學乃至現代物理學和科學技術中,光的衍射得到了越來越廣泛的應用。衍射
光的衍射   光的衍射
應用大致可以概括為以下五個方面 [5]  :
① 衍射用于光譜分析。如衍射光柵光譜儀。
② 衍射用于結構分析。衍射圖樣對精細結構有一種相當敏感的“放大”作用,故而利用圖樣分析結構,如X射線結構學。
③ 衍射成像。在相干光成像系統中,引進兩次衍射成像概念,由此發展成為空間濾波技術和光學信息處理。光瞳衍射導出成像儀器的分辨本領。
④ 衍射再現波陣面。這是全息術原理中的重要一步。
⑤ X光的衍射可用于測定晶體的結構,這是確定晶體結構的重要方法。
參考資料
  • 1.    閻金鐸.中國中學教學百科全書:物理卷[M].沈陽:沈陽出版社,
  • 2.    袁運開,顧明遠.科學技術社會辭典:物理[M].杭州:浙江教育出版社,
  • 3.    韋早春. 光的衍射現象的研究與應用[J]. 大眾科技, 2011(12):24-26.
  • 4.    《教師百科辭典》編委會.教師百科辭典:[M].北京:社會科學文獻出版社,
  • 5.    黃金仙. 光的衍射應用研究[J]. 通訊世界, 2015(24):311-312.



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[diàn cí xué]  電磁學(物理學科分類)





電磁學是研究電磁現象的規律和應用的物理學分支學科,起源于18世紀。廣義的電磁學可以說是包含電學和磁學,但狹義來說是一門探討電性與磁性交互關系的學科。主要研究電磁波、電磁場以及有關電荷、帶電物體的動力學等等。
中文名
電磁學
外文名
electromagnetism
日文名
電磁気
阿拉伯語
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法    語
electromagnétisme

目錄

電磁學物理簡介

電磁學   電磁學
電磁學是研究電、磁、二者的相互作用現象,及其規律和應用的物理學分支學科。根據近代物理學的觀點,磁的現象是由運動電荷所產生的,因而在電學的范圍內必然不同程度地包含磁學的內容。所以,電磁學和電學的內容很難截然劃分,而“電學”有時也就作為“電磁學”的簡稱。
電磁學從原來互相獨立的兩門科學(電學、磁學)發展成為物理學中一個完整的分支學科,主要是基于兩個重要的實驗發現,即電流的磁效應和變化的磁場的電效應。這兩個實驗現象,加上麥克斯韋關于變化電場產生磁場的假設,奠定了電磁學的整個理論體系,發展了對現代文明起重大影響的電工和電子技術。
導線所載有的電流,會在四周產生磁場,其磁場線是以同心圓圖案環繞著導線的四周。
使用電流表可以直接地測量電流。但這方法的缺點是必須切斷電路,將電流表置入電路中間。間接地測量伴電流四周的磁場,也可以測量出電流強度。優點是,不需要切斷電路。應用這方法來測量電流的儀器有霍爾效應感測器、電流鉗(current clamp)、變流器(current transformer) 、Rogowski coil 等等。
電子的發現,使電磁學和原子與物質結構的理論結合了起來,洛倫茲的電子論把物質的宏觀電磁性質與光學性質歸結為原子中電子的效應,統一地解釋了電、磁、光現象。
電磁學是物理學的一個分支。電學與磁學領域有著緊密關系,廣義的電磁學可以說是包含電學和磁學,但狹義來說是一門探討電性與磁性交互關系的學科。主要研究電磁波、電磁場以及有關電荷、帶電物體的動力學等等。

電磁學物理現象

人們很早就已知道發電魚(electric fish)會發出電擊。根據公元前2750年撰寫的古埃及書籍,這些電魚被稱為“尼羅河的雷使者”,是所有其它魚的保護者。大約兩千五百年之后,希臘人、羅馬人,阿拉伯自然學者和阿拉伯醫學者,才又出現關于發電魚的記載。古羅馬醫生 Scribonius Largus 也在他的大作《Compositiones Medicae》中,建議患有像痛風或頭疼一類病痛的病人,去觸摸電鰩,也許強力的電擊會治愈他們的疾病。 [1] 
阿拉伯人可能是最先了解閃電本質的族群。他們也可能比其它族群都先認出電的其它來源。早于15世紀以前,阿拉伯人就創建了“閃電”的阿拉伯字 “raad”,并將這字用來稱呼電鰩。
在地中海區域的古老文化里,很早就有文字記載,將琥珀棒與貓毛摩擦后,會吸引羽毛一類的物質。公元前600年左右,古希臘的哲學家泰勒斯(Thales,前640~前546)做了一系列關于靜電的觀察。從這些觀察中,他認為摩擦使琥珀變得磁性化。這與礦石像磁鐵礦的性質迥然不同;磁鐵礦天然地具有磁性。泰勒斯的見解并不正確。但后來,科學會證實磁與電之間的密切關系。 [2] 
1600年,曾為英國伊麗莎白一世御醫的英國人吉爾伯特發表《論磁石》,總結了前人的經驗,記載了大量實驗。如“小地球”實驗。伽利略稱其為“經驗主義的奠基人”。
1663年,德國馬德堡奧托·馮·格里克發明摩擦起電機。
1720年,英國牧師格雷研究了電的傳導現象。
1733年,杜非分辨了兩種電——松脂電和玻璃電。
1745年,荷蘭萊頓城萊頓大學教授馬森布洛克(Musschenbrock)發現了萊頓瓶,為貯存電荷找到了一個方法。萊頓瓶就是一個玻璃瓶,在瓶里和瓶外分別貼有錫箔。瓶里錫箔通過金屬鏈與金屬棒連接,棒的上端是一個金屬球。法國人諾萊特在巴黎一座大教堂前邀請了法國路易十五的皇室成員臨場觀看:七百名修道士手拉手排成一行,排頭的修道士用手握住萊頓瓶,當萊頓瓶充電后,讓排尾的修道士觸摸萊頓瓶的引線。頓時,七百名修道士幾乎同時跳了起來。在場的人目瞪口呆。從而展示了電的巨大威力。

電磁學物理發展

電磁波的發現由于歷史上的原因(最早,磁曾被認為是與電獨立無關的現象),同時也由于磁學本身的發展和應用,如近代磁性材料和磁學技術的發展,新的磁效應和磁現象的發現和應用等等,使得磁學的內容不斷擴大,而磁學在實際上也就作為一門和電學相平行的學科來研究。
麥克斯韋電磁理論的重大意義,不僅在于這個理論支配著一切宏觀電磁現象(包括靜電、穩恒磁場、電磁感應、電路、電磁波等等),而且在于它將光學現象統一在這個理論框架之內,深刻地影響著人們認識物質世界的思想。
和電磁學密切相關的學科是經典電動力學,兩者在研究對象和內容上并沒有原則的區別。一般說來,電磁學偏重于經典電磁現象的實驗研究,從廣泛的電磁現象研究中歸納出電磁學的基本規律,最后總結出麥克斯韋方程組(但不系統研究具體如何求解);而經典電動力學則偏重于理論方面,它以麥克斯韋方程組洛倫茲力(邏輯上相當于牛頓力學中牛頓的三個運動定律)為基礎,研究宏觀、低能尺度下電磁場分布,電磁波的激發、輻射和傳播,以及帶電粒子與電磁場的相互作用等電磁問題。
電磁學的各種實驗結論與電動力學的關系,某種程度上可以類比于開普勒三定律與牛頓萬有引力定律的關系。由高中物理可知,雖然萬有引力定律是從開普勒通過對天體運動觀測總結出的三大定律聯立推導出來的;而通過聯立萬有引力定律、牛頓運動定律與各種運動學量的定義式,我們也可以反推出開普勒行星運動三定律(包括第三定律中,常數k的表達式)。然而,對于許多特定已知條件的行星運動問題,直接利用開普勒三定律,往往能夠避免大量繁瑣的運算。
由此可見,從某種意義上,也可以認為廣義的電磁學包含了經典電動力學。關于相對論量子理論對電磁學發展的影響,詳見相對論電動力學量子電動力學。
麥克斯韋《電磁論》發表后,由于理論難懂,無實驗驗證,在相當長的一段時間里并未受到重視和普遍承認。1879年,柏林科學院設立了有獎征文,要求證明以下三個假設:①如果位移電流存在,必定會產生磁效應;②變化的磁力必定會使絕緣體介質產生位移電流;③在空氣或真空中,上述兩個假設同樣成立。這次征文成為赫茲進行電磁波實驗的先導。
1885年,赫茲利用一個具有初級和次級兩個繞組的振蕩線圈進行實驗,偶然發現:當初級線圈中輸入一個脈沖電流時,次級繞組兩端的狹縫中間便產生電火花,,赫茲立刻想到,這可能是一種電磁共振現象。既然初級線圈的振蕩電流能夠激起次級線圈的電火花,那么它就能在鄰近介質中產生振蕩的位移電流,這個位移電流又會反過來影響次級繞組的電火花發生的強弱變化。
1886年,赫茲設計了一種直線型開放振蕩器留有間隙的環狀導線C作為感應器,放在直線振蕩器AB附近,當將脈沖電流輸入AB并在間隙產生火花時,在C的間隙也產生火花。實際這就是電磁波的產生、傳播和接收。
證明電磁波和光波的一致性:1888年3月赫茲對電磁波的速度進行了測定,并在論文《論空氣中的電磁波和它們的反射》介紹了測定方法:赫茲利用電磁波形成的駐波測定相鄰兩個波節間的距離(半波長),再結合振動器的頻率計算出電磁波的速度。他在一個大屋子的一面墻上釘了一塊鉛皮,用來反射電磁波以形成駐波。在相距13米的地方用一個支流振動器作為波源。用一個感應線圈作為檢驗器,沿駐波方向前后移動,在波節處檢驗器不產生火花,在波腹處產生的火花最強。用這個方法測出兩波節之間的長度,從而確定電磁波的速度等于光速。1887年又設計了“感應平衡器”:即將1886年的裝置一側放置了一塊金屬板D,然后將C調遠使間隙不出現火花,再將金屬板D向AB和C方向移動,C的間隙又出現電火花。這是因為D中感應出來的振蕩電流產生一個附加電磁場作用于C,當D靠近時,C的平衡遭到破壞。 這一實驗說明:振蕩器AB使附近的介質交替極化而形成變化的位移電流,這種位移電流又影響“感應平衡器C”的平衡狀態。使C出現電火花。當D靠近C時,平衡狀態再次被破壞,C再次出現火花。從而證明了“位移電流”的存在。
赫茲又用金屬面使電磁波做45°角的反射;用金屬凹面鏡使電磁波聚焦;用金屬柵使電磁波發生偏振;以及用非金屬材料制成的大棱鏡使電磁波發生折射等。從而證明麥克斯韋光的電磁理論的正確性。至此麥克斯韋電磁場理論才被人們承認。麥克斯韋因此被人們公認是“自牛頓以后世界上最偉大的數學物理學家”。至此由法拉第開創,麥克斯韋建立,赫茲驗證的電磁場理論向全世界宣告了它的勝利。

電磁學磁效應

吉爾伯特開始以來的二百多年,電和磁一直是毫無關系的兩門學科,圍繞電與磁尋找自然現象之間的聯系,成為一種潮流。1820年,奧斯特發現了電流的磁效應,繼泰勒斯2400年之后,建立了電與磁的聯系。
“頓牟綴芥,磁石引針”說明了磁現象。17世紀初,吉爾伯特斷言,電磁之間沒有因果關系;庫侖也持相同觀點。但:1731年一名英國商人的一箱新刀在閃電過后帶上了磁性;電力與磁力都遵守平方反比定律,說明它們有類似的規律。1751年,富蘭克林發現縫紉針經過萊頓瓶放電后磁化了。1774年,德國一家研究機構懸獎征解,題目是:“電力和磁力是否存在實際和物理的相似性?”
奧斯特(1777~1851)丹麥人,發現電流磁效應的第一人。1799年的博士論文《論外部自然的基本的形而上學范疇》中,闡述了康德哲學思想對科學的指導作用,并深受康德關于“基本力”可以轉化為其它各種形式的力的觀點影響,1803年,旅游德國時,結識了堅信化學現象、電流和磁之間有相互聯系的德國青年化學家里特,還參加過里特為尋找這種聯系而進行的一些實驗。這些都為奧斯特發現電流磁效應打下了基礎。
(1)1803年他曾說:“人們的物理學將不再是關于運動、熱、空氣、光、電、磁以及人們所知道的任何其他現象的零散的羅列,人們將把整個宇宙容納在一個體系中。”他認為“自然力之統一”。
(2)1812年發表《關于化學力和電力的同一性研究》,表明他已經將自然力的統一思想運用到物理學和化學的研究中去了。他從電流流經直徑較小的導線時導線會生熱的現象推測,如果導線直徑再小,就可能發光,直徑再繼續減小,就會產生磁。并指出:“人們應該檢驗的是,究竟電是否以其最隱蔽的方式對磁體有所影響?!?/div>
(3)但是他認為電流對磁體的作用是縱向的(即沿著電流的方向),所以他的猜測一直未能實現。他在通電的導線前面放一根磁針,企圖用通電的導線去吸引磁針。然而,導線灼熱了,甚至燒紅發光了,磁針毫無動靜。但奧斯特深信,電和磁有某種聯系,就像迪那和發熱發光的現象一樣。
(4)1819冬--1820年4月,奧斯特在給學生講“電學、伽伐尼電流和磁學”的課程時,他考慮:電流產生的磁效應是否像電流通過導線時產生的熱和光那樣向四周散射,即是一種側(橫)向作用呢?在一次講課中,他嘗試將磁針放在導線的側面。當他接通電源時,發現磁針輕微的晃動了一下! 正是這一輕微的晃動,奧斯特馬上意識到他多年孜孜以求的東西就要實現了。奧斯特緊抓不放,經過反復實驗,查明了電流具有磁效應。1820年7月21日,發表了《電流對磁針的作用的實驗》,引起了學術界的轟動。
(5)電沖突和螺旋線:奧斯特把導體周圍空間發生的這種效應稱為“電沖突”指出:“這種沖突呈現為圓形,否則就不可能解釋這種現象:當磁極放在導線下面時,磁極被推向東方;當磁極被置于導線上方時,磁極被推向西方。其原因是,只有圓才具有這樣的性質,
其相反部分的運動具有相反的方向。此外,沿著導線長度方向連續前進的圓形運動必然形成蝸線或螺旋線。”
(6)旋轉力與中心力:奧斯特的發現和牛頓力學的基本原理是相互矛盾的。在牛頓力學中,自然界的力只能是作用于物體連線上的吸引或排斥力,即直接推拉性質的“中心力”。而奧斯特發現的卻是一種“旋轉力”。他所說的“螺旋線”,實際上就是關于磁的橫向效應或電流所引起的渦流磁場的直觀描述。是“場”的思想的開端。

電磁學物理理論

電磁學物理類比

1855年發表《論法拉第力線》,他以一種幾何觀點,為法拉第的力線作出了數學描繪。他在文章中寫到:“如果人們從任意一點畫一條線,并且當人們沿這條線走時,線上任一點的方向,總是和該點力的方向重合,那么這條曲線就表示他所通過的各點的合力的方向,并且在這個意義上才稱為力線。用同樣的方法人們可以畫出其它力線。直到曲線充滿整個空間以表示任一指定點的方向。”這樣,力線的切線方向就是電場力的方向,力線的密度表示電場力的大小。
麥克斯韋用類比的方法,把力線看作不可壓縮的流體的流線。由此他把力線、力管等與流體力學的理論做比較,如把正、負電荷比作流體的源和匯,電力線比作流管,電場強度比作流速等,引入一種新的矢量函數來描述電磁場??梢哉f把法拉第的物理翻譯成了數學。在文章中,麥可斯韋導出了電流四周的磁力線和磁力之間的關系,表示描述電流和磁力線的一些物理量之間的定量關系的矢量微分方程,以及電流間作用力和電磁感應定律的定量公式。當法拉第看到麥可斯韋的文章后贊嘆到:“我驚訝的看到,這個主題居然處理的如此之好!”
1860年,70歲的法拉第和30歲的年輕人麥克斯韋見面了,建立電磁理論的共同心愿超越了年齡的鴻溝,法拉第對麥克斯說:“你不要停留在用數學來解釋我的觀點上,而應該突破它?!?/div>

電磁學以太渦旋模型

1862年,麥可斯韋發表了第二篇電磁學論文《論物理力線》。麥克斯韋引進了一種媒質的理論,提出了電磁以太模型,把電學量和磁學量之間的關系,形象的表現出來。這種模型理論中,充滿空間的媒質在磁作用下具有旋轉的性質,即給排列著的許多分子渦旋,它們以磁力線為軸形成渦旋管,渦旋管轉動角速度正比于磁場強度H,渦旋媒質的密度正比于媒質磁導率μ。渦旋管旋轉的離心效應,使管在橫向擴張,同時產生縱向收縮。
渦旋管旋轉的離心效應,使管在橫向擴張,同時產生縱向收縮。因此磁力線在縱向表現為張力,即異性磁極的吸引;在橫向表現為壓力,即同性磁極的排斥。
以太渦旋模型   以太渦旋模型
由于相互緊密連接的渦旋管的表面是沿相反方向運動的,為了互不妨礙對方的運動,麥可斯韋設想在相臨渦旋管之間充滿著一層起惰性或滾珠軸承作用的微小粒子。它們是些遠比渦旋的線度小、質量可以忽略的帶電粒子。粒子和渦旋的作用是切向的。粒子可以滾動,但沒有滑動;在均勻恒定磁場,即每個渦旋管轉動速度相同的情況下,這些粒子只繞自身的軸自轉,但當兩側渦旋管轉速不同時,粒子的中心則以兩側渦旋邊緣運動的差異情況而運動。對于非均勻磁場,即隨位置不同磁力的強度不同,因而渦旋管的轉速也不同的情況,渦旋管間的粒子則發生移動。根據渦旋理論,單位時間通過單位面積的粒子數即渦旋的流量j與渦旋管旋轉的切線速度H的旋度成正比,即:此處j 對應于電流,H 對應于磁場,此方程即為電磁場的運動方程。它說明電粒子的運動必然伴隨分子的磁渦旋運動,這也就是電流產生磁力線的類比機制。對于磁場隨時間變化的情況,渦旋運動的能量變化(因H變化)必然受到來自粒子層切向運動的力,這個力E滿足關系:其中?H/?t是渦旋速度的變化率,E為作用于粒子層的力,對應于該點的感應電動勢。它說明磁介質中不穩定的磁渦旋運動,必引起電的運動,產生感應電動勢,從而產生電流。此式為電磁場的動力學方程。

電磁學位移電流

“位移電流”的提出:在論文第三部分,麥克斯韋把渦旋模型推廣到靜電現象。由于H=0,所以媒質由具有彈性的靜止的渦旋管和粒子層組成。當媒質處于電場中時,粒子層將受到電力E的作用而發生位移,并給渦旋管以切向力使之發生形變。形變的渦旋管則因內部的彈性張力而對粒子層施以大小相等方向相反的作用力,當兩力平衡時,粒子處于靜止狀態。這時電場能在媒質中轉變為彈性勢能。
對于絕緣介質, 麥克斯韋進一步假設:受到電力作用的絕緣介質,它的粒子將處于極化狀態,雖然粒子不能自由運動,但電力對整個介質的影響是引起電在一定方向上的一個總位移D。當電場發生變化的時候,粒子的總位移D也跟著發生變化,從而形成正負方向上的電流。這就是說,電位移對時間的微商?D/?t也一定具有和電流相同的作用。這就是麥克斯韋理論中重要的“位移電流”假設。
麥克斯韋利用他所構造的電磁以太力學模型。不僅說明了法拉第磁力線的應用性質,還建立了全部主要電磁現象之間的聯系;但麥克斯韋清楚的認識到上述模型的暫時性,他僅僅把他看做是一個“力學上可以想象和便于研究的適宜于揭示已知電磁現象之間真實的力學聯系”的模型。所以在1864~1865年的論文《電磁場的動力學理論》中,他完全放棄了這個模型,去掉了關于媒質結構的假設,只以幾個基本的實驗事實為基礎,以場論的觀點對自己的理論進行了重建。
他說“我所提出的理論可以稱為電磁場理論,因為它必須涉及到帶電體和磁性物質周圍的空間;它也可以叫做動力學理論,因為它假定在該空間存在著正在運動的物質,從而才產生了人們所觀察到的電磁現象?!薄半姶艌鼍褪翘幱陔姶艩顟B的物體周圍的空間,包括這些物體本身在內:場中可以只有某種物質,也可以抽成沒有宏觀物質的空間,象蓋斯勒管或其它叫真空的情形那樣”。麥克斯韋假設真空中雖沒有“宏觀物質”存在,但有以太媒質。這種以太媒質充滿整個空間,滲透物體內部,具有能量密度,并能以有限速度傳播電磁作用。

電磁學電磁方程組

麥克斯韋   麥克斯韋
1873年,麥克斯韋出版《電磁學通論》,他不僅用數學理論發展了法拉第的思想,還創造性的建立了電磁場理論的完整體系。在這本書中,他的思想得到更完善的發展和更系統的陳述。他把以前的電磁場理論都綜合在一組方程式中,得到了電磁場的數學方程-----麥克斯韋電磁方程組。以簡潔的數學結構,揭示了電場和磁場內在的完美對稱。《電磁學通論》是人類第一個有關經典場論的不朽之作。最初,在《電磁學通論》書中,麥克斯韋共列出了20個分量方程,如果采用矢量方程,則僅有8個。后來簡化成四個。1890年前后,德國物理學家赫茲和英國物理學家亥維賽,又兩次簡化麥克斯韋方程組,才得到人們通用的微分形式。

電磁學電磁波的預言

麥克斯韋方程組的一個重要結果,就是預言了電磁波的存在。麥克斯韋通過計算,從方程組中導出了自由空間中電場強度E和磁感應強度B的波動方程表示:電或磁的擾動,將在以太媒質里以速度c傳播著。并且推出了電磁波的傳播速度為:31.074萬公里/秒,式中ε是介電常數,μ為磁導率。
光波就是電磁波
麥克斯韋發現這個值與1849年斐索測得的光速31.50萬公里/秒十分接近。他認為這不是巧合,而是由于光的本質與電磁波相同,從而提出了光的電磁理論。它表明“光本身乃是以波的形式在電磁場中按電磁規律傳播的一種電磁振動” 。從而將電、磁、光理論進行了一次偉大的綜合。
麥克斯韋說:“把數學分析和實驗研究聯合使用所得到的物理知識,比之一個單純實驗人員或單純的數學家能具有的知識更堅實,有益和鞏固”。

電磁學狹義相對論

電磁學   電磁學
電磁學的基本方程為麥克斯韋方程組,此方程組在經典力學的相對運動轉換(伽利略變換)下形式會變,在伽利略變換下,光速在不同慣性坐標下會不同。保持麥克斯韋方程組形式不變的變換為洛倫茲變換,在此變換下,不同慣性坐標下光速恒定。
二十世紀初邁克耳孫-莫雷實驗支持光速不變,光速不變亦成為愛因斯坦狹義相對論的基石。取而代之,洛倫茲變換亦成為較伽利略變換更精密的慣性坐標轉換方式。

電磁學基本物理公式

庫侖定律:F=kQq/r2;
電場強度:E=F/q
點電荷電場強度:E=kQ/r2
勻強電場:E=U/d
電勢能:EA=qφA EA:帶電體在A點的電勢能(J),q:電量(C),φA:A點的電勢(V)}
電勢差:Uab=Wab/q
靜電力做功: W=qU,U為電荷運動的初、末位置電場的電勢差,q為電荷的電量。
電容定義式:C=Q/U
電容:C=εS/4πkd
電磁學   電磁學
帶電粒子在勻強電場中的運動:
加速勻強電場:1/2*mv^2; =qU或者v^2 =2qU/m
偏轉勻強電場:
運動時間: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
偏轉角:θ=v⊥/v//=qUx/md(v//)^2
微觀電流:I=nesv
歐姆定律:I=U/R
電阻串聯:R =R?+R?+R?+ ……
電阻并聯:1/R =1/R?+1/R?+1/R?+ ……
焦耳定律:Q=I&sup2; Rt
P=I&sup2; R
P=U&sup2; /R
電功:W=UIt
電磁學   電磁學
電功率:P=UI
電阻定律:R=ρl/S
ε=U外+U內
安培力:F=ILBsinθ
洛倫茲力:f=qvB
磁通量:Φ=BS
電磁感應
感生電動勢:E=nΔΦ/Δt
動生電動勢:E=Blv*sinθ
高中物理電磁學公式總整理
電子電量為 庫侖(Coul),1C= 電子電量。
串聯電路
電流I(A) I=I1=I2=…… 電流處處相等
電壓U(V) U=U1+U2+…… 串聯電路起分壓作用
電阻R(Ω) R=R1+R2+……
并聯電路
電流I(A) I=I1+I2+…… 干路電流等于各支路電流之和(分流)
電壓U(V) U=U1=U2=……
電阻1/R(Ω) =1/R1+1/R2

電磁學創始人物

麥克斯韋是19世紀偉大的英國物理學家,經典電動力學的創始人,統計物理學的奠基人之一。
麥克斯韋1831年6月13日出生于愛丁堡。16歲時進入愛丁堡大學,三年后轉入劍橋大學學習數學,1854年畢業并留校任教,兩年后到蘇格蘭的馬里沙耳學院任自然哲學教授,1860年到倫敦國王學院任教,1871年受聘籌建劍橋大學卡文迪什實驗室,并任第一任主任。1879年11月5日在劍橋逝世。
麥克斯韋集成并發展了法拉第關于電磁相互作用的思想,并于1865年發表了著名的《電磁場動力學理論》的論文,將所有電磁現象概括為一組偏微分方程組,預言了電磁波的存在,并確認光也是一種電磁波,從而創立了經典電動力學。麥克斯韋還在氣體運動理論、光學、熱力學、彈性理論等方面有重要貢獻。
電磁學或稱電動力學或經典電動力學。之所以稱為經典,是因為它不包括現代的量子電動力學的內容。電動力學這樣一個術語使用并不是非常嚴格,有時它也用來指電磁學中去除了靜電學、靜磁學后剩下的部分,是指電磁學與力學結合的部分。這個部分處理電磁場對帶電粒子的力學影響。

電磁學年表

時間
大事
發現人
公元前七世紀
發現磁石
管子(中國), Thales(泰勒斯、古希臘)
公元前二世紀
靜電吸引
西漢初年不詳
1600年
《地磁論》論述磁并導入“電的”(electric)
William Gilbert(吉爾伯特)
英國女王御臣
1745年
萊頓瓶,電容器的原形,存貯電
Pieter van musschenbrock(穆欣布羅克,荷蘭萊頓)
Ewald Georg Von Kleit(克萊斯特,德國)
1747年
電荷守恒定律
(正、負電的引入)
Benjamim Franktin
(富蘭克林,美國)
1754年
避雷針
(電的實際應用)
Procopius Dirisch
(狄維施)
1785年
庫侖定律
電磁學進入科學行列
Charles Auguste de Coulom
(庫侖,法國)
1799年
發明電池
提供較長時間的電流
Alessandro Graf Volta
(伏打,意大利)
1820年
電流的磁效應
(電產生磁)
安培分子電流說
畢奧-薩伐爾定律
Hans Chanstian Oersted(奧斯特丹麥)
Andre Marie Ampere(安培,法國)
Jean-Baptute Biot, Felix Savart(畢奧,薩伐爾)
1826年
歐姆定律
Georg Simon ohm(歐姆)
1831年
電磁感應現象
(磁產生電)
Michael Faraday
(法拉第,英國)
1834年
楞次定律
楞次
1865年
麥克斯韋方程組
建立了電磁學理論,
預言了電磁波
Maxwell(麥克斯韋)
1888年
實驗證實電磁波存在
Heinrich Hertz
(赫茲,德國)
1896年
光速公式
Hendrik Anoen Lorentz
(洛侖茲)

物理學

物理學·包含學科(二、三級學科)

參考資料

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