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電磁力学

物質中の電磁波

誘電体中の電磁波を調べます。速度は v=c/εrv=c/\sqrt{\varepsilon_r} に低下し、損失媒質では振幅が e−κze^{-\kappa z} で減衰します。物質パラメータを調整し、波長が縮み振幅が z とともに衰える様子を観察します。

発展

器具

  • 誘電体ブロック中を進む仮想平面波
  • 振幅・波長・周波数・視点スライダー
  • 模型 A/B ボタンと一時停止
  • 読み出し $v=c/\sqrt{\varepsilon_r}$ と $k=n\omega/c$

手順

  1. 媒質中の波速を測る

    図1で v=c/εrv=c/\sqrt{\varepsilon_r} の読み出しと表示波長を比べます。εr>1\varepsilon_r>1 の誘電体では波が遅くなり λ が同じ割合で縮みますが、源の周波数 f は不変です。

  2. 分散と減衰を観察する

    図2で媒質パラメータを上げます。複素波数 k=k′+iκk=k'+i\kappa により振幅は e−κze^{-\kappa z} で減衰します。読み出しの減衰量を確認し、パラメータ増加に伴う振幅の傾きを比較します。

  3. 真空と媒質を比較する

    模型AとB（真空領域／物質領域に相当）を切り替えます。同じ周波数で媒質中の波は λ が短く、境界で振幅が変わります。η=μ/ε\eta=\sqrt{\mu/\varepsilon} を用いた反射係数 r=(η2−η1)/(η2+η1)r=(\eta_2-\eta_1)/(\eta_2+\eta_1) の帰結です。

シミュレーション

実験の歴史

マクスウェルが1865年に方程式を発表したとき、物質の誘電率と透磁率は直ちに光が媒質中で遅くなることを意味し、スネルの時代以来測られていた屈折率と一致しました。オーギュスタン・フレネルは1821年に光が純粋に横波であることを証明しており、これはマクスウェルのようなベクトル場理論だけが自然に説明します。 境界での減衰と反射はインピーダンス η=μ/ε\eta=\sqrt{\mu/\varepsilon} で定量化され、二媒質のインピーダンス差が反射係数を決めます。これは今日の反射防止膜、光ファイバー、電波吸収材料の基礎です。

関連する物理学者

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