界面電磁學

界面電磁學研究的發(fā)展與各類電磁表面或界面（自然的或人造的）的發(fā)展是分不開的。界面電磁學領域內最早的相關研究大多針對的是自然界中天然存在的各類材料和物質的表面或邊界附近的電磁學性質及其應用，之后隨著“超材料（Metamaterials）”、“人工（Artificial）電磁材料”、“超表面（Metasurfaces）”等概念的出現和在學術界的慢慢普及，界面電磁學的研究重心逐漸從探究和發(fā)現天然電磁表面或界面的電磁性質轉向了探索人造電磁表面或界面的基本性質、理論及應用。按照時間順序，大致可以將界面電磁學研究的發(fā)展歷程粗分為三個階段：均勻電磁表面或界面的研究、周期性電磁表面或界面的研究以及準周期性電磁表面或界面的研究。

均勻電磁表面或界面

均勻電磁表面或界面的研究主要是從人們發(fā)現不同介質材料的分界面處會發(fā)生可見光的反射與折射現象開始的。隨著1600年斯涅爾定律（Snell's Law）的提出，人們開始意識到可見光在均勻介質材料的分界處的這種反射和折射現象是有著十分深刻的內在物理規(guī)律的，眾多學者們對這類問題進行了研究，成功解釋了許多的自然現象，并制造了許多例如望遠鏡、放大鏡等巧妙利用了光的反射和折射的光學系統(tǒng)，應用在了人們的日常生活和實驗室的研究工作中。而隨著麥克斯韋方程組和經典電磁學理論的建立，以及電磁波和電磁波譜的概念的提出和被廣泛接受，人們意識到可見光只是電磁波的一種，同時也意識到在光學領域中被廣泛研究的反射與折射現象其實并不只是可見光特有的現象，其他類型的電磁波也可以產生類似的現象與類似的應用。這些早期的研究和理論體系的建立奠定了界面電磁學發(fā)展的基礎。

周期性電磁表面或界面

隨著固體物理及其相關研究的發(fā)展，人們漸漸對自然界的許多物質本身的構成有了更加深刻的認知，人們開始明白物質或材料的許多性質的存在其實是由于物質或材料的內在結構所導致的，人們意識到，如果能夠通過某些人工的方法自由地改變物質的內部微觀結構，那么也許就能夠自由地操控物質或材料的某些宏觀特性，這樣一來就可能獲得具有天然物質或材料不可能具有的性質的人造材料。這一思想很快被廣泛傳播，光學的研究者們想到，如果能夠用經過精心設計的單元結構來模擬一般晶體的晶元，并將這些單元結構周期排列起來，就可以實現人造的光學晶體并通過設計單元結構來設計人造材料的光學特性，光子晶體的概念由此誕生。與此同時，周期性結構在人造材料設計中的巨大威力也被發(fā)掘出來，加之在微波頻段的頻率選擇性表面（Frequency Selective Surface, FSS）、電磁帶隙（Electromagnetic Band Gap, EBG）結構等方向的飛速發(fā)展，人造周期性電磁表面或界面開始被不斷地研究和應用，人們開始使用人造周期性電磁表面或界面對各類電磁波的傳播和輻射進行調控。1970年前后，人們開始實現用人造周期性電磁表面或界面對電磁波的幅度進行調控，2000年前后，人們開始實現用人造周期性電磁表面或界面對電磁波的相位進行調控。自此，人造周期性電磁表面或界面以及2維電磁學問題逐漸成為現代電磁學研究的熱門課題。

準周期性電磁表面或界面

周期性電磁表面或界面的發(fā)展讓人們逐漸習慣于通過精心設計電小尺寸的單元結構并將其周期排布起來從而實現具有特殊電磁性質的人造電磁表面或界面。而受到傳統(tǒng)的陣列天線理論的啟發(fā)，研究者們意識到，在將單元結構周期排布起來構成人工電磁表面或界面的時候，每個單元的結構也許并不需要完全相同，甚至，不同的單元結構有規(guī)律的周期排布起來反而可以實現一般周期性電磁表面或界面不可能實現的功能。然而，當構成人工電磁表面或界面的不同單元結構相去甚遠的時候，單元的電磁特性與整個人工電磁表面或界面的整體電磁特性之間的聯系就變得難以捉摸，非常不利于分析和設計。于是人們提出了準周期性電磁表面或界面的想法，通過將某種單元結構內的某些參數做出有規(guī)律的變化，從而形成一系列結構不同但類似的單元，精心設計這些單元的排布方式就可以令電磁表面或界面實現許多全新的功能，例如電磁波的聚焦、分束等。這些構成準周期性電磁表面或界面的單元雖然結構不同，但是由于它們都是由某一種單元結構生成，結構有許多相似性，在分析這些單元在準周期性電磁表面或界面中的局部特性時，往往還可以用周期性電磁表面或界面的分析手段和結論來近似分析，“準周期性”的命名由此而來。同時，由于構成電磁表面或界面的單元不需要完全相同，因此在整個電磁表面或界面的單元選擇和排布上多出了許多自由度，這也使得準周期性電磁表面或界面常常具備周期性電磁表面或界面不可能具備的功能和特性。隨著準周期性電磁表面或界面的出現和迅速發(fā)展，人造電磁表面或界面和2維電磁學問題在科學和技術中的潛力開始受到學術界和工業(yè)界空前的關注。同時，對這類問題的研究也促使研究者們開始慢慢打破許多傳統(tǒng)學科，例如微波和光學等，之間的界限，因此，巨大的機遇和挑戰(zhàn)讓人們意識到，一套能夠簡潔、高效、實用地分析電磁表面或界面和2維電磁學問題的理論體系亟待建立。2016年，清華大學，電子工程系，微波與天線研究所，楊帆教授 及其課題組首次提出“界面電磁學（Surface Electromagnetics）”這一概念 ，將此類問題劃分為界面電磁學問題。

界面電磁學的相關研究十分豐富多樣，所同時涉及到的傳統(tǒng)學科也很多，通常可以將界面電磁學的相關研究大致分為三類：界面電磁學的理論研究、電磁表面或界面的設計、界面電磁學的應用。

界面電磁學理論研究

界面電磁學的理論研究通常包括對各類電磁表面或界面（天然的或人造的）的普適理論描述、對電磁表面或界面的各類特性的定義和表征、以及對簡單電磁表面或界面的解析計算和對復雜電磁表面或界面的數值計算等等。

界面電磁學設計

利用界面電磁學的基本理論來有效地指導人工電磁表面或界面的設計是界面電磁學的一個重要方向。這類研究通常同時包含著對材料特性、結構設計、加工技術等方向的研究與應用。在界面電磁學這一概念提出以前的許多研究方向都屬于這類研究，例如：頻率選擇性表面（Frequency Selective Surface, FSS）、電磁帶隙結構（Electromagnetic Band Gap, EBG）、超表面（Metasurface）、超級透鏡（Metalens）、平面陣列天線等等。

界面電磁學應用

隨著人工電磁表面或界面的不斷發(fā)展與進步，越來越多的人工電磁表面或界面被應用在各類微波、太赫茲以及光學的器件和系統(tǒng)中。由于人工電磁表面或界面往往具有低剖面、低成本的特點，并且可以實現各類對電磁場的調控操縱，因此，應用人工電磁表面或界面的器件與系統(tǒng)往往具有同類傳統(tǒng)器件或系統(tǒng)所不具備的獨特優(yōu)勢。近年來界面電磁學領域的發(fā)展也讓界面電磁學的應用研究取得了長足的進步。2100433B

界面電磁學（Surface Electromagnetics）是現代電磁學領域在近年來開始高速發(fā)展的一個研究方向，它的主要研究對象為在物質（天然的或人造的）表面或分界面附近才會產生的獨特而豐富的電磁學現象及其應用。正如物理學和化學領域的眾多研究方向中存在著“表面物理學”和“表面化學”這樣的重要分支一樣，界面電磁學也可以被視為是現代電磁學領域的研究中的一個重要的分支。

如果從空間維度的角度對現代電磁學領域中的眾多研究方向進行粗略的分類的話，大致可以將現代電磁學領域內研究的問題分為4類：0維問題、1維問題、2維問題和3維問題。其中，3維電磁學問題通常表示問題所研究的空間或物質在3維空間中的每一個維度上的尺寸都可以和所研究的電磁波波長可比擬，甚至遠大于該電磁波波長。在這樣的情形下，一般需要使用較為普適的電磁場和電磁波理論來對問題進行分析，這樣的分析和求解過程通常是繁瑣而復雜的，但從理論上講，這樣的分析方法可以有效解決絕大部分的電磁學問題。

當電磁學問題所涉及的空間或物質的尺寸在某一個或某幾個空間維度上是遠小于所關心的電磁波波長的時候，為了簡化問題的理論分析和更加高效地進行實用的工程設計，就需要在完整電磁學理論的框架下提出各種在特定問題下具有獨特優(yōu)勢但在其他問題中并不一定適用的簡化的理論體系和分析手段。例如，當電磁學問題所涉及的空間或物質的尺寸在三個空間維度上均遠小于所關心的電磁波波長的時候，就可以使用比普適的電磁場理論要簡單得多的電路理論來對問題進行分析，這類問題可以被稱為0維問題；當電磁學問題所涉及的空間或物質的尺寸僅在1個空間維度上與所關心的電磁波波長可比擬，在其余兩個維度遠小于波長的時候，可以使用傳輸線理論對問題進行有效地分析和求解，這類問題可以被稱為1維問題。

而當電磁學問題所涉及的空間或物質的尺寸在兩個空間維度上與所關心的電磁波波長可比擬，僅在1個維度上遠小于波長的時候，就產生了2維電磁學問題。在過去許多年的電磁學研究中，2維電磁學問題的分析和求解通常是直接建立在普適的3維電磁場理論上的，但隨著現代電磁學研究的不斷發(fā)展以及現代電子科學與技術的不斷進步，2維電磁學問題在自然科學與工程技術方面的重要性被不斷發(fā)掘出來，專門針對2維電磁學問題的研究手段和理論體系亟需建立。界面電磁學正是在這一基礎上誕生出來的研究方向，它旨在研究重要的2維電磁學問題，建立針對2維電磁學問題的研究手段和理論體系，并由此提出各類在自然科學和工程技術方面的新興應用。

現代電磁學的基本理論均是建立在著名的麥克斯韋方程組上的，界面電磁學也不例外。作為描述一切宏觀電磁學問題的基本方程，麥克斯韋方程組是一切宏觀電磁學問題的研究起點，那么，在電磁學研究中必須要回答的一個很重要的問題就是，既然任何形式的電磁學問題都可以用同樣形式的麥克斯韋方程組描述，為什么現實世界里的電磁學現象是多種多樣的，而不是單一不變的？這個問題的答案是，對于不同的電磁學問題，雖然他們共用著同樣的麥克斯韋方程組，但是它們對應的研究區(qū)域內的材料特性和邊界條件是不一樣，這些條件會影響麥克斯韋方程組的求解，因此，即使是同樣的方程也可能得到完全不同的解。界面電磁學關注的是2維電磁學問題，而在經典的3維空間內，2維結構總可以被視為是一種邊界，因此界面電磁學的研究重點從數學物理的角度來講就是電磁問題的邊界條件，或者更一般的，廣義（等效）邊界條件，界面電磁學中實現的各類對電磁場的操控就是通過對不同電磁問題的邊界條件的操控間接實現的。

電磁學是研究電、磁、二者的相互作用現象，及其規(guī)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(fā)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(fā)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(fā)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(huán)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(yōu)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(fā)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(tǒng)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。

電作為一種能源，自被人類認識以來就和人們的生產和生活密不可分，電的應用大大促進了科學技術的發(fā)展，而磁場和磁性材料的存在也和電有著密切的聯系。電磁量是和電磁現象有關的物理量，分為電學量和磁學量。人們在不斷對電磁應用進行探索的過程中，發(fā)明創(chuàng)造了大量的電磁測量儀器、儀表和設備。

電磁學計量包括電壓、電流、電阻、電容(或電感)、磁感應強度、磁通和磁矩。電磁學計量內容包含：電磁基本量，如電壓、電流、磁通、磁矩等；電磁測量儀器和儀表；比率標準與儀器；材料電磁特性；波形。此外，非電量的電測量及靜電、電氣和環(huán)境安全等電磁干擾參數也是電磁計量的重要內容。按工作頻率，電磁學計量分直流計量和交流計量。

電學計量保存、復現、傳遞的量主要由直流電壓，直流電流，交流電壓，交流電流，直流電阻，交流電阻，電感，電容，電功率，電能，相位，頻率，電荷量，損耗因數，功率因素，時間常數等。保存、復現電學量的計量器具主要有實物量和計量儀器兩大類。作為計量基準和計量標志的主要有約瑟夫遜電壓自然基準，霍爾電阻自然基準，標準電池，直流標準電阻，RLC測量儀，高阻計，微歐計，直流電位差計，交流電位差計，數字多用表，多功能標準源，交直流轉換儀，指示表，直流功率表，交流功率表，功率因數表，電能表，分壓箱，分流器，儀用互感器，測量放大器，轉換器，感應分壓器，霍爾電流傳感器等。