波动方程

一维波满足下面的函数

在真空中, 有

便有光速

波的能量

记介质密度为, 振动方程为, 那么就有动能、势能的体密度

Tip: 上面的推导过程中用到了 . 由此我们得到波的能量密度

真空单色平面电磁波

假设波在方向传播, 直接解电磁场的波动方程, 有

这里是复振幅, 物理中实际的场是其实部 因为轴上传播, 和无关, 故由电场的高斯定理

这表明是一个常数, 但是我们期望着场的所有分量都会随着距离衰减, 所以令; 同理由磁场的高斯定理也可以得到 所以电磁波是一个横波, 电场和磁场的波动方向垂直于波的传播方向 再根据法拉第定律, 这意味着电磁场的振幅直接存在关系

或者写成

所以, 电场和磁场同相位且相互垂直, 它们的实部(振幅)有如下关系

电磁波的能量

电磁场单位体积内储存的能量为

则对于单色平面波有

那么其能流密度(波的能流密度波的能量密度 波速)

在一般情况下, 上面的坡印廷矢量 表示:

物质中的电磁波

类似地, 可以推得