電動力學(xué)

前言

1820年，安培在奧斯特實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了4個精巧的電流對電流作用的示零實驗，提出了安培定律。在此基礎(chǔ)上，安培對比“靜力學(xué)”與“動力學(xué)”的研究對象及其名稱后，提出動電理論應(yīng)當(dāng)稱為“電動力學(xué)”（electrodynamics）。隨后，安培又進(jìn)一步總結(jié)了當(dāng)時有關(guān)動電理論的研究成果，于1822年和1827年分別發(fā)表了《電動力學(xué)的觀測匯編》和《電動力學(xué)理論》共兩本專著。實際上這只是電學(xué)和磁學(xué)的第一次結(jié)合，與現(xiàn)在的電磁學(xué)（electromagnetism）沒有嚴(yán)格的區(qū)分。1831年，法拉第電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)及電磁場思想的提出，促使電學(xué)與磁學(xué)更加緊密地結(jié)合在一起。此后，麥克斯韋經(jīng)過多年的艱辛努力，于1895年出版了《電磁場的動力理論》，創(chuàng)立了真正統(tǒng)一的“電磁場理論”。我們已經(jīng)知道電磁學(xué)是研究電磁現(xiàn)象和規(guī)律的學(xué)科，是普通物理學(xué)的一個重要組成部分。電磁學(xué)通常包括靜電場和電介質(zhì)、穩(wěn)恒電流及液體與氣體中的電流、靜磁場和磁介質(zhì)、電磁感應(yīng)、電磁振蕩及電磁波。電磁學(xué)著重由實驗定律出發(fā)，闡明電磁現(xiàn)象各方面的基本規(guī)律及其應(yīng)用。最后.電磁學(xué)總結(jié)出作為電磁現(xiàn)象普遍規(guī)律的麥克斯韋方程組，但是不作為內(nèi)容的重點。按照現(xiàn)代的觀點，電動力學(xué)是研究電磁現(xiàn)象一般規(guī)律的學(xué)科。電動力學(xué)以電磁運動最基本的方程——麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式為基礎(chǔ)（結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識，建立起完整的電磁場理論），分別從宏觀和微觀兩個角度來闡述各種電磁現(xiàn)象。由于狹義相對論起源于經(jīng)典電動力學(xué)，因此電動力學(xué)通常還包括狹義相對論。從上面的分析不難看出電磁學(xué)與電動力學(xué)的異同。它們的差別主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①電磁學(xué)與電動力學(xué)研究的對象相同，即電磁現(xiàn)象；②電磁學(xué)是電動力學(xué)的基礎(chǔ)，最后給出麥克斯韋方程組，而電動力學(xué)從麥克斯韋方程組開始；③電磁學(xué)主要是通過實驗定律來分析電磁現(xiàn)象，而電動力學(xué)則利用矢量場論、張量分析等數(shù)學(xué)工具來研究電磁現(xiàn)象，更注重理論推演；④電磁學(xué)偏重研究靜電場和靜磁場的問題，而電動力學(xué)的主要研究內(nèi)容之一則是迅變電磁場；⑤電動力學(xué)包括狹義相對論。電動力學(xué)在大學(xué)本科層次屬于理論物理學(xué)范疇，相對普通物理學(xué)而言涉及的數(shù)學(xué)知識更豐富，需要學(xué)習(xí)和記憶的公式更多，一些概念的理解也更加困難，習(xí)題求解不僅較難且用時也較多。雖然對于部分初學(xué)者來說可能會感到電動力學(xué)難學(xué)，但是，由于電動力學(xué)理論體系非常嚴(yán)謹(jǐn)，系統(tǒng)性、條理性和邏輯性都非常強，狹義相對論中所包含的物理思想又非常深刻等，因此，常常能夠提升讀者學(xué)習(xí)理論物理的興趣。同時，電動力學(xué)中還蘊含著豐富的哲學(xué)思想和美學(xué)成分，一些研究方法不僅適用于電動力學(xué)，而且也適用于物理學(xué)的其他分支學(xué)科，甚至對物理學(xué)以外的自然科學(xué)、社會科學(xué)都有借鑒作用。

內(nèi)容概要

本書是作者在多年教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前學(xué)生的新特點編寫而成。本書加強了對基本概念與基礎(chǔ)理論的文字描述，相應(yīng)的減少了部分定理、推論等繁雜的證明過程；此外，還針對學(xué)生的興趣調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容，并增加了與電動力學(xué)相關(guān)的研究進(jìn)展。全書內(nèi)容包括電動力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與基本理論、狹義相對論、靜電場與靜磁場、電磁波及其與物質(zhì)的相互作用、電動力學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域簡介。    本書適合理科物理專業(yè)本科生學(xué)習(xí)使用，也可作為教師等相關(guān)人員參考使用。

書籍目錄

前言第1章 電動力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與基本理論  1.1 電動力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)  1.2 靜態(tài)場的基本方程  1.3 麥克斯韋方程組  1.4 電磁場的勢函數(shù)  1.5 電磁場的邊值關(guān)系和場方程的完備性  1.6 電磁場的能量和動量第2章 狹義相對論  2.1 經(jīng)典時空觀及其局限性  2.2 狹義相對論的時空理論  2.3 相對論的四維形式和電磁場方程的不變性  2.4 相對論力學(xué)第3章 靜電場與靜磁場  3.1 靜電場的分離變量法  3.2 靜電場的鏡像法  3.3 格林函數(shù)法  3.4 近似方法  3.5 磁標(biāo)勢法  3.6 數(shù)值計算法第4章 電磁波及其與物質(zhì)的相互作用  4.1 電磁波動方程和亥姆霍茲方程  4.2 電磁波在絕緣介質(zhì)界面上的反射和折射  4.3 導(dǎo)體為邊界的高頻電磁振蕩和微波傳送  4.4.諧振蕩電流體系的多極輻射和天線輻射  4.5 運動帶電粒子的輻射  4.6 介質(zhì)對電磁波的作用第5章 電動力學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域簡介  5.1 超導(dǎo)電現(xiàn)象和高溫超導(dǎo)  5.2 等離子體物理  5.3 超冷原子物理  5.4 光子晶體和左手材料  習(xí)題與參考答案參考文獻(xiàn)附錄

章節(jié)摘錄

插圖：1）集成光學(xué)元件 目前所使用的發(fā)光二極管（LED）所放出的光沒有方向性，因此發(fā)光效率不高。如果能通過引入缺陷來破壞光子晶體的周期結(jié)構(gòu)，在光子帶隙中形成相應(yīng)的缺陷能級，那么就只有特定頻率的光才能在這個缺陷能級中出現(xiàn)。利用這種結(jié)構(gòu)缺陷可以制造單模發(fā)光二極管，讓射往其他方向的光都朝同一方向射出，從而大幅提升發(fā)光二極管的發(fā)光效率。目前電腦已經(jīng)是相當(dāng)普遍的個人工具，決定電腦速度的中央處理器（CPU）現(xiàn)在已達(dá)吉赫茲（109Hz）的等級。但是，如果需要更高運算能力的太赫茲（1012Hz）等級的電腦，就必須借助光子來代替電子傳送訊號。光子相對于電子有更快的速度與更大的頻寬，且光子之間沒有相互作用。如果能將現(xiàn)有的電子元件提升為光子元件，那么，元件的運行在速度上和精確度上都會有大幅度提高?？茖W(xué)家們相信能夠利用光子晶體或準(zhǔn)晶等長程有序的物質(zhì)來制作集成光學(xué)元件，從而達(dá)到控制光傳播的目的。2）無損耗光通路傳統(tǒng)的波導(dǎo)和光纖是利用全反射原理傳遞光波，當(dāng)波導(dǎo)彎曲角度過大時，在彎曲處會損失能量，也可能使全反射的條件遭到破壞，使得光波無法在波導(dǎo)內(nèi)傳播。利用二維光子晶體所制作的角度彎曲波導(dǎo)可以解決這個問題。如果我們能夠讓光沿著引入具有缺陷條紋的光子晶體（即沿著一定的路線引入缺陷），那么就可以形成一條光的無損耗通路。這類似于電流在導(dǎo)線中的傳播，只有沿著“光子導(dǎo)線”（即缺陷條紋）傳播的光子才能順利通過，其他任何試圖脫離導(dǎo)線的光子都將被完全禁止。這種光通路的能量傳輸基本無損失，也不會出現(xiàn)延遲等影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象，而且具有極寬的傳輸頻帶，比普通光纖更有效。

編輯推薦

《電動力學(xué)》：普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    電動力學(xué) PDF格式下載

---