電磁學(xué)

前言

　　從教學(xué)順序上看，本書是《新概念物理教程》中的第三卷。全套書各卷的編寫和改革思路是一脈相承的，但根據(jù)內(nèi)容的特點(diǎn)，各卷的情況有所不同。繼力學(xué)課之后，電磁學(xué)是普通物理系列中最重要的基礎(chǔ)課。電磁學(xué)中最重要的概念是“場”。場與質(zhì)點(diǎn)不同，是在空間具有連續(xù)分布的客體，它的規(guī)律要從整體上去把握。場在空間的分布不一定直接與場源相聯(lián)系，鄰近各點(diǎn)之間場的分布也是緊密相關(guān)的。描述和處理“場”所需的概念（如通量、環(huán)量）和方法與學(xué)生過去熟悉的大不相同。學(xué)生在電磁學(xué)課中第一次系統(tǒng)地學(xué)到“場”的概念和處理“場”的方法。按現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)，粒子不過是場的激發(fā)態(tài)，“場”的概念比“粒子”更基本。通過“場”產(chǎn)生相互作用的觀點(diǎn)是與現(xiàn)代物理學(xué)的精神相通的?！　∥覀冊?0多年前編寫過一本《電磁學(xué)》教材，在全國范圍內(nèi)得到相當(dāng)廣泛的采用，并且沿用至今，勢頭未減。本書就是在那本書的基礎(chǔ)上改寫的。這次改寫的時候我們面臨的問題是保留什么？改什么？無疑，無論在內(nèi)容的取舍、敘述的條理、概念的分析等方面，凡經(jīng)得住教學(xué)實(shí)踐的考驗，而用現(xiàn)代的觀點(diǎn)審視又不陳舊過時的，都應(yīng)該保留。在本套《新概念物理教程》中，作為現(xiàn)代的觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了對稱性原理和守恒量的應(yīng)用。對稱性分析在普通物理各門課里要數(shù)電磁學(xué)中用得最多，但過去的講法以具體的物理定律（如庫侖定律、畢奧一薩伐爾定律）為據(jù)，就事論事地討論問題，而未從層次更高的對稱性原理出發(fā)，做更簡潔、普適性更廣的討論。這次成書時我們改過來了。此外，過去鏡像對稱性這一威力強(qiáng)大的武器幾乎沒被利用過，本書中我們強(qiáng)調(diào)了這方面的應(yīng)用。至于守恒量，電磁學(xué)從來就重視電勢與能量的討論，但局限于標(biāo)勢，對磁矢勢介紹得很少，并且對電磁動量與磁矢勢的關(guān)系基本上未涉及到。這次成書時我們增加了有關(guān)內(nèi)容。再者，本書對原書的章節(jié)做了些合并與調(diào)整，使相關(guān)內(nèi)容（如電介質(zhì)和磁介質(zhì)，直流與交流電路）敘述起來更緊湊。對一些太技術(shù)性的問題和過時的儀器設(shè)備做了刪除。電磁學(xué)的歷史，從麥克斯韋算起少說也有150年了，至今生命力不衰。本書對電磁學(xué)的前沿要不要有更多的反映？經(jīng)典電磁學(xué)的前沿早已成為應(yīng)用性學(xué)科，如電工學(xué)、電子學(xué)的內(nèi)容，在基礎(chǔ)物理課中不宜過多介紹。量子方面呢？在這些問題中多涉及量子力學(xué)的基本概念，除了新聞式的報導(dǎo)外，很難對未學(xué)過量子力學(xué)或《新概念物理教程·量子物理》卷的學(xué)生，做稍微本質(zhì)一點(diǎn)的介紹。加之本卷《電磁學(xué)》已經(jīng)很厚了，這方面的內(nèi)容只好割愛。

內(nèi)容概要

　　《電磁學(xué)》是教育部“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計劃”的研究成果，是面向21世紀(jì)課程教材、普通高等教育“九五”國家級重點(diǎn)教材和“十五”國家級規(guī)劃教材?！峨姶艑W(xué)》作為《新概念物理教程》的電磁學(xué)卷，與已出版的力學(xué)、熱學(xué)、量子物理卷的改革與編寫思路是一脈相承的。作為現(xiàn)代的觀點(diǎn)，《電磁學(xué)》更加強(qiáng)調(diào)了“場”的概念以及“對稱性原理”的普遍意義和應(yīng)用?！峨姶艑W(xué)》共分靜電場、恒磁場、電磁感應(yīng)·電磁場的相對論變換、電磁介質(zhì)、電路、麥克斯韋電磁理論·電磁波·電磁單位制等六章，另有四個附錄。　　《電磁學(xué)》可作為高等學(xué)校物理類專業(yè)的教科書或參考書。對于其他理工科專業(yè)，《電磁學(xué)》也是教師備課時很好的參考書和學(xué)生的優(yōu)秀輔助讀物。

書籍目錄

第一章 靜電場§1．靜電的基本現(xiàn)象和基本規(guī)律1．1 兩種電荷1．2 靜電感應(yīng)電荷守恒定律1．3 導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體1．4 物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)1．5 庫侖定律§2．電場電場強(qiáng)度2．1 電場2．2 電場強(qiáng)度矢量曰2．3 電場線2．4 電場強(qiáng)度疊加原理2．5 電荷的連續(xù)分布2．6 帶電體在電場中受的力及其運(yùn)動§3．高斯定理3．1 立體角3．2 電通量3．3 高斯定理的表述及證明3．4 球?qū)ΨQ的電場3．5 軸對稱的電場3．6 無限大帶電平面的電場3．7 從高斯定理看電場線的性質(zhì)§4．電勢及其梯度4．1 靜電場力所作的功與路徑無關(guān)4．2 電勢與電勢差4．3 電勢疊加原理4．4 等勢面4．5 電勢的梯度4．6 電偶極層§5．靜電場中的導(dǎo)體5．1 導(dǎo)體的平衡條件5．2 導(dǎo)體上的電荷分布5．3 導(dǎo)體殼(腔內(nèi)無帶電體情形）5．4 導(dǎo)體殼(腔內(nèi)有帶電體情形）§6．電容和電容器6．1 孤立導(dǎo)體的電容6．2 電容器及其電容6．3 電容器儲能(電能）§7．靜電場邊值問題的唯一性定理7．1 問題的提出7．2 幾個引理7．3 疊加原理7．4 唯一性定理7．5 靜電屏蔽7．6 電像法本章提要思考題習(xí)題第二章 恒磁場§1．磁的基本現(xiàn)象和基本規(guī)律1．1 磁的庫侖定律1．2 電流的磁效應(yīng)1．3 安培定律1．4 電流單位——安培§2．磁感應(yīng)強(qiáng)度畢奧一薩伐爾定律2．1 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量丑2．2 畢奧一薩伐爾定律2．3 載流直導(dǎo)線的磁場2．4 載流圓線圈軸線上的磁場2．5 載有環(huán)向電流的圓筒在軸線上產(chǎn)生的磁場§3．一安培環(huán)路定理3．1 載流線圈與磁偶極層的等價性3．2 安培環(huán)路定理的表述和證明3．3 磁感應(yīng)強(qiáng)度B是軸矢量3．4 安培環(huán)路定理應(yīng)用舉例§4．磁場的“高斯定理”磁矢勢4．1 磁場的“高斯定理4．2 磁矢勢§5．磁場對載流導(dǎo)線的作用5．1 安培力5．2 平行無限長直導(dǎo)線間的相互作用5．3 矩形載流線圈在均勻磁場中所受力矩5．4 載流線圈的磁矩5．5 磁偶極子與載流線圈的等價性5．6 直流電動機(jī)基本原理5．7 電流計線圈所受磁偏轉(zhuǎn)力矩§6．帶電粒子在磁場中的運(yùn)動6．1 洛倫茲力6．2 洛倫茲力與安培力的關(guān)系6．3 帶電粒子在均勻磁場中的運(yùn)動6．4 荷質(zhì)比的測定6．5 回旋加速器的基本原理6．6 霍耳效應(yīng)6．7 等離子體的磁約束本章提要思考題習(xí)題第三章 電磁感應(yīng)電磁場的相對論變換§1．電磁感應(yīng)定律1．1 電磁感應(yīng)現(xiàn)象1．2 電動勢1．3 法拉第定律1．4 楞次定律1．5 渦電流和電磁阻尼§2．動生電動勢和感生電動勢2．1 動生電動勢2．2 交流發(fā)電機(jī)原理2．3 感生電動勢渦旋電場2．4 電子感應(yīng)加速器§3．磁矢勢與磁場中帶電粒子的動量3．1 磁場中帶電粒子的“勢動量”3．2 磁場中帶電粒子的動量守恒定律3．3 電流元相互作用何時服從牛頓第三定律?3．4 磁矢勢A和磁感應(yīng)強(qiáng)度曰哪個更基本?§4．電磁場的相對論變換4．1 問題的提出4．2 相對論力學(xué)的若干結(jié)論4．3 電荷的不變性和洛倫茲力公式的協(xié)變性4．4 電磁場的變換公式4．5 運(yùn)動點(diǎn)電荷的電場4．6 運(yùn)動點(diǎn)電荷的磁場4．7 對特魯頓一諾伯實(shí)驗零結(jié)果的解釋§5．互感和自感5．1 互感系數(shù)5．2 自感系數(shù)5．3 兩個線圈串聯(lián)的自感系數(shù)5．4 自感磁能和互感磁能本章提要思考題習(xí)題第四章 電磁介質(zhì)第五章 電磁第六章 麥克斯韋電磁理論，電磁波，電磁單位制附錄索引

章節(jié)摘錄

　　1．4物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)　　近代物理學(xué)的發(fā)展已使我們對帶電現(xiàn)象的本質(zhì)有了深入的了解。物質(zhì)是由分子、原子組成的，而原子又由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，原子核中有質(zhì)子和中子，中子不帶電、質(zhì)子帶正電。一個質(zhì)子所帶的電量和一個電子所帶的電量數(shù)值相等，也就是說，如果用e代表一個質(zhì)子的電量，則一個電子的電量就是一e?！　∥镔|(zhì)內(nèi)部固有地存在著電子和質(zhì)子這兩類基本電荷正是各種物體帶電過程的內(nèi)在根據(jù)。由于在正常情況下物體中任何一部分所包含的電子的總數(shù)和質(zhì)子的總數(shù)是相等的，所以對外界不表現(xiàn)出電性。但是，如果在一定的外因作用下，物體（或其中的一部分）得到或失去一定數(shù)量的電子，使得電子的總數(shù)和質(zhì)子的總數(shù)不再相等，物體就呈現(xiàn)電性。　　兩種不同質(zhì)料的物體互相摩擦后所以都會帶電，是因為通過摩擦，每個物體中都有一些電子脫離了原子的束縛，跑到另一物體上去。但是，不同材料的物體彼此向?qū)Ψ睫D(zhuǎn)移的電子數(shù)目往往不相等，所以總體上講，一個物體失去了電子，另一個物體得到了電子，結(jié)果失去電子的物體就帶正電，得到電子的物體就帶負(fù)電。因此，摩擦帶電實(shí)際上就是通過摩擦作用使電子從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體的過程?！　≡诮饘賹?dǎo)體里，原子中的最外層電子（價電子）可以擺脫原子的束縛，在整個導(dǎo)體中自由運(yùn)動，這類電子叫做自由電子。原子中除價電子外的其余部分叫原子實(shí)。在固態(tài)金屬中原子實(shí)排列成整齊的點(diǎn)陣，稱為晶格或晶體點(diǎn)陣。自由電子在晶體點(diǎn)陣間跑來跑去，像氣體的分子那樣作無規(guī)運(yùn)動，并不時地彼此碰撞或與點(diǎn)陣上的原子實(shí)碰撞。這就是金屬微觀結(jié)構(gòu)的經(jīng)典圖像。圖l一3所示的靜電感應(yīng)現(xiàn)象可解釋如下，當(dāng)我們把帶正電的物體（圖1—3a中的C）移到金屬導(dǎo)體（圖中的A和B）附近時，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子就受到正電荷的吸引力，向靠近帶電體的一端移動。結(jié)果導(dǎo)體的這一端就因電子過多而帶負(fù)電，另一端則因電子過少而帶正電。從這里可以看出，感應(yīng)帶電實(shí)際上是在外界電力的作用下，自由電子由導(dǎo)體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分造成的。

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