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电磁场与物质的相互作用，
前面几节我们介绍了作为信息载体的电磁场和物质的概念，
这一小节我们讲电磁场和物质的相互作用
上一小节中分析了导体和绝缘体、
半导体中电子能带结构的差异，
这些差异决定了它们与电磁场的相互作用是不同的
我们这里先介绍电磁场与绝缘体和半导体材料相互作用的情况
在这里，绝缘体和半导体统称为电介质
注意！“电介质”和前面提到的“电磁场的介质”不同，
后者是更加宽泛的概念，
指一切电磁波借以传播的物质，包括真空，
而电介质在这里特指绝缘体和半导体
电磁场与电介质的相互作用有多种不同的过程。
电介质在电磁场作用下发生变化的同时也改变了电磁场，
人们正是通过设计、控制这种电磁场与物质的相互作用
实现了对电磁场的操纵
我们知道，电荷在电磁场中会受到电磁力的作用，
运动的电荷周围存在电磁场。
电磁场在不同电介质中的存在形式及其变化规律，
电磁场与组成电介质的原子/分子内电荷载体
之间的相互作用一定是最重要的，是占主导地位的
考虑原子外层电子的跃迁过程，
这种相互作用可以大致分为
非共振作用和共振作用两种过程
当电磁场的频率较低，
电磁场的最小能量单元—hν
小于电介质导带和价带能级之间的差，
电磁场量子无法引发电子在能级间的跃迁，
也就是说无法产生电磁场的辐射或吸收，
那么这时候电介质对这个频段的电磁场是透明的
我们把这种情况下发生的作用统称为非共振作用
。电磁场的传输、耦合、谐振等都属于非共振作用
当电磁场的频率ν较高，
它的最基本能量单元hν
大于电介质导带和价带能级之间的差，
这时，在电磁场的作用下上下能级之间的电子
可以发生跃迁从而产生电磁场的辐射或者吸收，
这个过程称之为共振作用
受激吸收、受激辐射都属于有电子跃迁参与的共振作用
这里，我们暂不考虑原子核的热运动对电磁场的影响
这一小节我们先来看看非共振作用
非共振作用一般可以用原子极化的经典模型来处理
我们知道，电介质中的每一个原子/分子
都是一个复杂的带电系统，
有正电荷，有负电荷
虽然这些电荷分布在整个原子/分子的体积内，
考虑到原子/分子的体积只有10的-10次方米数量级，
所以每个原子/分子可以看成是一个由正、负点电荷
相隔一定距离所组成的电偶极子
所谓电偶极子就是两个相距很近的
等量异号点电荷－q和＋q组成的系统
用电偶极距p描述，其中l是两个点电荷之间的距离，
l和P的方向规定由－q指向＋q
在讨论电磁场与电介质相互作用时，
可以认为电介质是由大量的微小电偶极子所组成
电介质与电磁场的相互作用
等同于电偶极子的集合与电磁场的作用
在没有外加电磁场时，
由于无规则的热运动，
物质中固有电矩的取向是随机的，
电介质宏观也是不体现极性的
在外加电磁场的作用下，
在电介质表面出现了只有正电荷或只有负电荷的电荷层，
这种在外场作用下，
电介质表面出现束缚电荷的现象称为电介质的极化
如果外加电磁场是周期变化的，
那么电介质的极化也会周期性地变化。
这种空间电荷分布的周期性变化将会向外辐射电磁场
这就使得电介质内部和周围的电磁场发生变化，
变化后的电磁场反过来又影响电介质的极化过程，
如此反复，最终达到稳定
达到稳定时，
可以认为产生电介质极化的场
就是电介质极化所产生的场。
这是一个自洽过程，故称之为自洽场
不同电介质的结构不同，
产生的极化电荷不同，
最后叠加形成的稳定自洽场也不相同
所以，电磁场在不同电介质中的
存在形式及其变化规律取决于电介质的材料特性
具体说来，每一种材料都有表征其特性的色散曲线
我们在前面已经讲到了。
也就是每种材料都有其特定的折射率n
电介质的折射率体现了其与电磁场
相互作用后形成的自洽场的特性。
所以从电介质的折射率可以直观地读解出
该材料中电磁场的存在形式及其变化规律
一般来说，相互作用后形成自洽场的波矢较大的物质，
折射率较大，所对应的电磁场的传播速度较慢；
相反，形成自洽场波矢较小的物质，折射率较小，
所对应的场的传播速度较大
真空的折射率最小，为n=1.0，
所以真空中电磁场的传播速度最快
不同的电介质相接处会有界面，
界面两侧的电介质结构不同，
在电磁场中产生的极化也不一样
我们知道在界面处电磁场会有反射、折射现象，
满足一定条件时还会产生全反射，
这一切都是界面两侧不同电介质和电磁场
相互作用后形成稳定自洽场的必然结果
这些规律就被总结成在界面处的反射和折射定律，
以及发生全反射的条件
一个界面上有反射、折射的现象，
两个平行的可以发生全反射的界面就构成了介质波导结构
在光波段最典型的波导就是光导纤维，我们简称光纤
光纤通讯的最基本的载体
它在1.55微米波段的传输损耗只有大约0.2dB/公里，
甚至远远小于北京地区大气对光的吸收，
所以它的损耗非常低，
使得长距离通信成为可能
光纤的发明人，华裔科学家高锟先生
因此获得了2009年诺贝尔物理学奖
波导除了传输电磁场，
同时也是构成器件的最基本的单元。
两个波导传输的电磁场在一定的条件下会发生耦合
这就是耦合器；
一个波导的两个端面制作上电磁场的反射结构就构成了谐振腔
基于耦合器、谐振腔可以构造各种各样的光电子器件
所以，没有电子跃迁发生的非共振作用
覆盖了电磁场的传输、耦合、谐振的相关原理和规律，
由此可以构造出许许多多相关的器件
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁学和分析数学发展史：磁学
-第三节 电磁学与分析数学发展史：静电
-第四节 电磁学和分析数学发展史：动电
-第五节 电子器件的发明及电子技术的发展
-第六节 电磁学的广泛应用
-第七节 电磁系统理论
-第八节 电子科学技术各学科间的关系
-第九节 电子科学技术的学科体系
-第一讲：电磁学与分析数学史概览--第一次作业
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁场（一）
-第三节 电磁场（二）
-第四节 物质
--第四节 物质
-第五节 电磁场与物质的相互作用：非共振作用
-第六节 电磁场与物质的相互作用：共振作用
-第七节 电磁场理论与电路理论
-第一节 空间离散化
-第二节 静场电路分析
-第三节 非静场电路抽象
-第三讲：电路抽象--电路抽象 练习题
-第四节 电路元件抽象
-第五节 非线性元件抽象
-第六节 电路抽象三原则
-第七节 分层抽象思想
-第八节 电路基本问题
-第九节 数字化抽象
-第三讲：电路抽象--Quiz 3
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 什么是比特
-第三节 比特与编码
-第四节 比特与信息
-第五节 比特的用途示例
-第六节 什么是逻辑
-第七节 逻辑的用途示例
-第八节 与数字电路的关系
-第九节 小结
--第九节 小结
-第四讲：比特与逻辑--Quiz4
-第一节：从算盘到ENIAC
-第二节：通用计算机模型
-第三节：指令集体系结构
-第四节：程序和程序设计语言
-第五节：处理器的工作原理
-第六节：性能问题
--第六节：性能问题
-第七节：小结
--第七节：小结
-第一节：数据与数据处理技术的发展
-第二节：数据处理举例
-第三节：数据模型和算法的概念
-第四节：问题的抽象和建模
-第五节：数值分析问题研究
-第六节：数据和算法的关系I
-第七节：数据和算法的关系II
-第八节：大数据
--第八节：大数据
-第九节：数据挖掘技术和数据算法的展望
-第六讲：数据与算法--Quiz6
-第一节：基本内容简介
-第二节：信息的基本概念和传输的几种方式
-第三节：交换的概念和网络的几种形式
-第四节：模拟与数字通信
-第五节：调制和解调
-第六节：传输涉及的基本理论
-第七节：信息论和几种相关的编码方式
-第八节：多址方式
--第八节：多址方式
-第九节：交换的基本概念
-第十节：网络分层的基本概念
-第十一节：互联网的基本原理和有限状态机模型
-第七讲：通讯与网络--Quiz7
-第一讲：内容简介
--第一讲：内容简介
-第二讲：信息与媒体
-第三讲：人类感知与认知
-第四讲：智能信息处理
-第五讲：媒体与认知相互作用
-第六讲：媒体认知应用
-第七讲：总结
--第七讲：总结
-第八讲：媒体与认知--Quiz8
-期末考试--Final Exam
