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产品特色

编辑推荐

适读人群 ：本书可作为普通高等学校物理或应用物理专业本科生的电磁学课程的教材或参考书、也可供相关专业师生和科技工作者参考

中科大在物理学人才培养方面经验的集成，多年教学经验丰富的教授编写

内容简介

电磁学与电动力学．上册是作者在多年教学经验的基础上，将电磁学与电动力学的内容适当贯通，既分阶段，又平滑过渡，由此避免不必要的重复，以利于缩短学时，便于学生掌握．电磁学与 电动力学．上册分为上、下两册，电磁学与电动力学．上册为上册，主要深入讲解电磁场的性质，研究电磁场和介质相互作用的本质和规律，并深入探讨了电磁场作为一种物质的运动状态的普遍量度———能量．电磁学与电动力学．上册应用实例和例题甚多，以便学生更好地掌握基本概念和基本理论．

内页插图

目录

第二版丛书序 第一版丛书序 第二版前言 第一版前言

第1章真空中的静电场 1
1.1 电荷守恒 1
1. 2库仑定律 3
1.2.1库仑扭秤实验 3
1.2.2库仑定律 5
1. 3叠加原理 6
1.3. 1叠加原理的数学表述 6
1.3.2带电体系对静止点电荷的作用力　6
1.3.3带电体系之间的作用力 7
1.4 电场强度 8
1.4. 1电场强度的定义　8
1.4.2各类带电体的电场强度 8
1.4.3 电场的物质性　9
1.4.4电场强度计算举例 9
1.5高斯定理 1 1
1.5. 1电通量　12
1.5.2高斯定理 13
1.5.3高斯定理与库仑定律的关系 15
1.5.4高斯定理应用举例 16
1.5.5 电场线　18
1.6环路定理 19
1.6. 1电场的环量 19
1.6.2环路定理 20
1.7 电势 21
1. 7.1 电势差与电势 21
1.7.2电势的一般表达式 22
1.7.3场强与电势的微分关系 23
1.7.4 等势面　24
.7.5应用举例 25
第2章静电场中的导体和电介质 29
2. 1 物质的电性质 29
2 1物质的电性质 29
2. L 2 电场对电荷系统的作用　30
2.2 静电场中的导体 32
2.2. 1 导体达到静电平衡的条件 32
2.2.2处在静电平衡条件下导体的性质 33
2.2.3导体在静电场中性质的应用 35
2. 2. 4高斯定理和库仑定律的精确验证 38
2.3 电容和电容器 38
2.3. 1 孤立导体的电容 39
2. 3. 2 电容器　39
2. 3. 3电容器的连接 40
2. 4电介质 4 1
2. 5极化强度矢量P　 43
2.5. 1 P与极化电荷的关系　44
2.5.2 P与电场E的关系 47
2.6 电介质中静电场的基本定理 50
2.6. 1 高斯定理 50
2.6.2 环路定理 53
2.7边值关系和唯一性定理 53
2.7. 1电场强度 53
2. 7. 2 电位移矢量 54
2.7.3 电势 55
2.7.4静电场的唯一性定理 55
2.7.5应用举例 57
*2.8 电像法　61
第3章静电能 66
3.1真空中点电荷间的相互作用能 66
3.2连续电荷分布的静电能 69
3. 3 电荷体系在外电场中的静电能 75
3.4电场的能量和能量密度 76
^ 3. 5非线性介质及电滞损耗 78
"3.6 利用静电能求静电力　80
第4章稳恒电流 89
4. 1稳恒条件 89
4.1.1电流强度和电流密度 89
4. 1. 2电流连续方程 90
4.1.3稳恒条件 91
4.2欧姆定律 92
4.2.1欧姆定律 93
4.2.2焦耳定律 94
4.2.3从经典电子论观点解释欧姆定律和焦耳定律 95
4.2.4欧姆定律的失效问题 97
4.3 电源及电动势 97
4.3.1电源及其电动势 97
4.3.2 常见的几种电源 99
4.3.3路端电压、电动势和全电路欧姆定律 102
4.3.4 稳恒电路的特点　103
4.3.5 稳恒电路中静电场的作用 103
4.4基尔霍夫定律 104
4.4.1节点、支路和回路 104
4.4.2基尔霍夫定律　105
4.4.3支路电流法 105
4.4.4回路电流法 106
"4.5稳恒电流和静电场的综合求解 107
4. 5. 1 基本方程 108
4. 5. 2 基本方程的闭合性 108
4.5.3与纯静电场问题类比 11 1
第5章真空中的静磁场 1 15
5. 1 磁现象与磁场 1 15
5. 1. 1磁的基本现象与磁的库仑定律 115
5. 1.2奥斯特实验——电流磁效应 116
5. 1.3磁感应强度 1 17
5. 1.4 安培力公式与洛伦兹力公式 118
5.2毕奥-萨伐尔定律 120
5.2. 1毕奥-萨伐尔定律 120
5.2.2毕奥-萨伐尔定律应用举例 12 1
5. 3安培定律 126
5.3. 1 四个示零实验　126
5. 3. 2 安培定律 128
5.3.3安培力及其应用　129
5.4 静磁场的基本定理 130
5. 4. 1 磁场的高斯定理　130
5. 4. 2 安培环路定理　13 1
5.4.3 磁场的几何描述　132
5.4.4两条定理与毕奥-萨伐尔定律的关系 133
5. 4. 5安培环路定理的应用 134
5.5 带电粒子在磁场中的运动 136
5.5. 1运动特征 137
5.5.2应用举例 139
5. 5. 3 宏观效应　143
第6章静磁场中的磁介质 145
6. 1 磁场对电流的作用 145
6. 1. 1磁场对电流的力和力矩 145
6. 1.2电流受力和力矩的计算举例 146
6.2磁介质及其磁化强度犕 147
6.2.1磁化强度 148
6. 2. 2 磁化电流 148
6.3磁介质中的静磁场的基本定理 150
6. 4介质的磁化规律 152
6.4.1 介质按磁化规律的分类 152
6.4.2 介质磁化的微观机制 155
6 .4.3无限均匀线性各向同性介质中的静磁场 159
6. 5边值关系和唯一性定理 160
6 .5.1磁场在磁介质界面上的边值关系　160
6 .5.2静磁场的唯一性定理 161
6.5 .3分区均匀线性各向同性介质中的静磁场 162
土 6. 6磁像法 167
6 .6.1介质界面为无限平面 168
6 . 6.2介质界面为无穷长圆柱面 171
6 .7磁路定理及其应用 172
6. 7.1 磁路定理的基本方程 172
6 .7.2磁路定理的应用　173
^6.8磁荷法 176
6 .8.1磁荷观点下的静磁场规律 176
6. 8. 2磁荷法和电流法的等效性 178
6 .8.3磁荷法的应用　179
第7章电磁感应 182
7. 1电磁感应定律 182
7 1 电磁感应现象　182
7 2法拉第电磁感应定律 184
73感应电动势的计算 186
74块状导体中的电磁感应现象 187
7 5电磁感应定律和磁场的高斯定理　187
7 .2动生电动势和感生电动势 188
7.2. 1 动生电动势 188
7 .2.2感生电动势 19 1
7 .2.3 电子感应加速器　193
7 .2.4两种电动势引出的问题 194
7 .3互感和自感 194
7. 3.1互感现象和互感系数 194
7 .3.2自感现象和自感系数 196
7 .3.3两线圈的串联和并联 198
7.4似稳电路和暂态过程 201
7 .4.1似稳条件 202
7 .4.2似稳电路方程 202
7 .4.3多回路电路的基尔霍夫定律 205
7 .4.4暂态过程 206
第8章磁能 210
8 .1载流线圈的磁能 210
8.1.1 —个载流线圈的磁能 210
8.1.2 N个载流线圈系统的磁能 211
8.2载流线圈在外磁场中的磁能 212
8.3磁场的能量和磁能密度 213
"8. 4非线性介质及磁滞损耗 215
"8. 5利用磁能求磁力 217
第9章交流电路 222
9.1基本概念和描述方法 222
9 .1.1基本概念 222
9 .1.2描述方法 223
9.2交流电路的复数解法 228
9. 2.1交流电路的基本方程 228
9. 2. 2 电路方程的复数形式 229
9. 2. 3交流电路元件的复阻抗 231
9 .3交流电的功率 232
9.3.1 瞬时功率 232
9.3.2 平均功率 233
9 . 3. 3视在功率和功率因素 233
9.3 .4由电压和电流复有效值计算平均功率 234
9.4交流电路分析举例 234
9.4. 1串联谐振电路 234
9 .4.2并联谐振电路 236
9 .4.3变压器电路 238
第10章麦克斯韦电磁理论 240
10. 1 麦克斯韦方程组 240
10. 1. 1两个大胆的推广 24 1
10. 1.2两个重要的假设 24 1
10. 1.3麦克斯韦方程组 245
10. 1. 4 边值关系 246
10.2 平面电磁波 246
10.2. 1 电磁波的产生机制 246
10.2.2平面电磁波的性质 248
10.2.3 赫兹实验 250
10.2.4电磁波谱 252
10. 3电磁场的能量、动量和角动量 253
10.3. 1 电磁场的能量、动量和角动量　253
10 .3.2平面电磁波的能量和动量 254
10.3.3 光压 254
10.3.4 电磁场具有角动量的验证 256
习题 257
习题参考答案 283
参考书目 29 1
名词索引 292
教学进度和作业布置 297
附录I 科学家中英文姓名对照表 299
附录E 单位制和单位制间的公式变换 30 1
附录K物理常数 3 1 1
附录叹矢量分析中的常用公式 3 12

精彩书摘

第1章真空中的静电场
1.1电荷守恒
电学中最基本的概念是电荷.早期人们是通过物质的力效应来定义它的.人们 发现许多物质，如琥珀、玻璃棒、硬橡胶棒……经过毛皮或丝绸摩擦后，能吸引轻小 物质，便说这些物质带了电荷.
近代物理学的实验揭示了电荷的物理本质.电荷是基本粒子，如电子、质子 子等的一种属性，离开了这些基本粒子它便不能存在.也就是说，电荷是物质的基 本属性，不存在不依附物质的“单独电荷” 1897年，英国物理学家汤姆孙测出了阴 极射线带电粒子的荷质比约为氢离子(质子)的2000倍，他指出这种带负电的粒子 是一切原子的基本成员之一，后来被称为电子，他因此而荣获1906年诺贝尔物理 学奖.1909?1917年，密立根用油滴实验，通过反复测量，测定电荷的最小单位是
1 . 59X10—19C，他因此荣获1923年诺贝尔物理学奖.
就我们现今所知，电荷有如下的特点：
(1)自然界中存在两种电荷，分别称为正(+ )电荷和负（一）电荷.正如左和右 一样，它们的定义是任意的.现在人们都习惯沿用美国物理学家富兰克林的定义， 即被丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷为“ + ”电荷，被毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带 的电荷为“一”电荷.实验表明，同号电荷相斥，异号电荷相吸，根据这一性质我们可 以用实验来测出物体带有哪种电荷.
()电荷是量子化的，即在自然界里物质所带的电荷量不可能连续变化，而 只能一份一份地增加或减小.如前所述，这最小的一份电量是电子或正电子所带 的电量，我们把这电量的绝对值记为就是自然界中电量的基本单元，根据国 际科技数据委员会1986年推荐值，e= 1. 602 177 33(49) X 10—19C. 20世纪60 年代物理学家提出了一种更基本的粒子——夸克（quArk)，夸克有6种，分别带 有一，/3和，3的电量.30多年来，借助大型加速器，采用了多种途径，这6种 夸克在实验上先后被科学家发现，但至今还没有可靠的证据表明它们以自由状 态存在，即它们被禁闭在强子内部，不能脱离强子自由运动.带分数电荷的粒子 的发现，也不破坏电荷的量子性，仅仅是将现在所能测到的最小的一份电量变得 更小而已.
(3) 存在所谓“电荷对称性” 1928年，狄拉克提出描写电子运动并且满足相 对论不变性的波动方程，并得到一个重要结论：电子可以有负能值.由此出发，于 1930年提出所谓“空穴”理论，预言了带正电的电子（即正电子）的存在；931年又 预言了反粒子的存在，电子-正电子对的产生和煙没.我国物理学家赵忠尧先生 (曾任中国科学技术大学近代物理系首任系主任，他的导师就是密立根)于1930年 在美国加利福尼亚州理工学院通过实验发现硬Y射线的反常吸收以及伴随出现的 “特殊辐射”这就是最早观察到的正负电子对产生和煙没的现象.1932年，安德逊 在宇宙射线中发现正电子). —系列近代高能物理实验表明，对于每种带电的 基本粒子，必然存在与之对应的、带等量异号电荷的另一种基本粒子——反粒子. 例如，我们有电子和正电子、质子和反质子、TC介子和反n介子等.
(4) 电荷守恒.一个孤立系统(与外界不发生电荷交换的系统）的电荷总量(代 数和)是保持不变的，它既不能创生，也不会消灭.电荷只能从系统内的一个物体转 移到另一个物体，系统的总电量既不随时间而变，也与参考系的选取无关，这就是 电荷守恒定律.例如，原本都是中性的丝绸和玻璃棒组成的孤立系统，电荷总量为 零.当用丝绸摩擦玻璃棒后，玻璃棒上带正电，而丝绸上带了与之等量的负电，其系 统的总电量仍为零.又如，任何化学反应前后系统的总电量相等.电荷守恒作为自 然界最普遍的规律之一，它对核反应也是成立的.如中子(n)经过卩衰变产生一个 质子、一个电子和一个反中微子：
o n ^ ^p0 + e— + I
类似地，有氚的卩衰变反应式
3H2 —-2He1 +e—十 v,
综合写出卩衰变的一般反应式如下：
—么1YN—1 +e—十v,
式中，A为质量数，Z为原子序数即电荷数，N为中子数.一个强放射性元素镭，通 过A衰变，放出一个A粒子（He2)后转变为氡222(2|Rn36)
2 龍 RA138 —— 222 Rn36 + 4He
对于太阳上核聚变反应的一种可能链式过程：
1Ho + 1Ho—~— ?H1 +e++ v,
?H1 + 1Ho—~— 3He +y
2 He+ 3 He—■—2 He+21 Ho
其中，每一步反应都满足电荷守恒定律.
1.2库仑定律
1. 2.1库仑扭秤实验
库仑定律是以它的发现者之一，法国物理学家库仑的名字命名的.它是电磁学 中最基本的定律之一.这个定律的发现过程，对于年轻读者具有很大的启迪作用， 值得在此简述.
16世纪工艺、航海、军工的发展，极大地促进了自然科学的研究，其中也包括 电磁理论.历经一百多年，在电磁现象研究领域取得了一系列重要成果，相继发现 了摩擦起电原理，制成了摩擦起电机；明白了自然界里电荷分为正电、负电两种，同 性电荷相斥，异性电荷相吸;弄清了雷雨天闪电原理，将天电和地电统一起来;掌握 了电荷转移及储存方法，制成了莱顿瓶;认识到电荷守恒定律.接着人们开始了电 荷之间作用力的大小和方向的探索研究.
1750年前后，德国科学家埃皮诺斯发现，当发生相互作用的电荷之间的距离 缩短时，两者之间的吸引力和排斥力便增加，遗憾的是他没有继续研究其定量规 律.1755年，富兰克林在实验中发现，一细丝悬挂的带电软木小球在带电金属筒外 明显地受到电力而倾斜，在筒内则几乎不受电力作用.富兰克林将这一结果函告德 国科学家普利斯特利.后来，普利斯特利通过一系列实验证实了富兰克林的发现， 并于1767年提出如下猜想：难道我们就不可以认为电的吸引力遵从与万有引力 相同的规律，即与距离的反平方有关的规律吗?”但是，普利斯特利仅仅停留在猜想 阶段，没有做进一步的研究.这一猜想与静电场的高斯定理(见1. 5节）的结论一 致.将该定理应用到带电的金属壳上，可以证明壳的内表面无电荷（见2.2节). 1771?1773年，英国科学家卡文迪许完成了一系列的静电实验，证明空腔金属容 器内表面不带电荷，据此推断电力与距离的平方成反比关系.但是，在他去世之前， 这些成果没有公开发表，直到1879年，才由著名的物理学家麦克斯韦整理、注释出 版了他生前的手稿，其中记述了距离平方反比定律.在2. 2节中，我们将简介卡文 迪许的实验和结论.以上说明，在这一个时期，人类逐步把电学的研究推进到定量 的、精确的科学层次，为库仑定律的建立奠定了基础.
库仑早年是一名军事工程师，曾督造过防御工事.也许正是这种经历，使他对 科学产生了兴趣，开始对扭力进行系统的研究.1781年，由于有关扭力的论文的发 表，他当选为法国科学院院士.在1784年提交法国科学院的一篇论文中，他通过实 验确立了金属丝的扭力定律，发现扭力正比于扭转角度，并指出可依据该原理去测 量小至6. 48X10-6N的作用力.根据这一发现，1785年库仑自行设计制作了一台 扭秤，测量了电荷之间的相互作用力与其距离的关系，建立了库仑定律.图1. 1给 出了扭秤的结构及其中的4个关键部件.在一个高和直径均为30. 5cm的玻璃圆　
筒上，有^^块直径为33cm的玻璃平板AC， 它使容器不受外部空气流动的影响.平板上 有两个直径约为4. 3cm的孔/、rn，孔f开 在中心，上面胶连一根高61cm的玻璃管.管 的顶端犺处有一个测微器，它的细致结构如 图1. 1中的（1)号件所示.其顶部有旋钮犫 指针化，还有一个悬挂金属丝的夹钳通 过图1. 1中的(2)号件的孔犌（2)号件上有 一个圆盘，，在其盘边上刻出360°.管多安 放在图1. 1中的(3)号件的孔洞中，而H则 与图中玻璃管/犺的顶端相套接.（1)号件中 夹钳的形状很像一个教学圆规上的粉笔卡 头，可通过滑环使它收放.杆犘0的犘端[图 1. 1中(4)号件]有一个类似狇的夹钳，可通 过滑环彡使它收放.一根非常细的银丝，一端夹在(4)号件的犘中，另一端夹在夹 钳狇上.犘0用铜或银制成，直径约0. 22cm，它的重量可使银丝绷紧，但又不会使银 丝变得很细.在E的横向有一个小孔，孔中穿过一根绝缘物质细杆Ag，长约20cm， 犪端有个金属小球^端有一个平衡球.Ag水平悬挂在图1. 1中的玻璃容器内约一 半高的地方.另一绝缘物质小杆犿犱穿过盖板AC上的孔犿，杆的下端固定一个与 犪端完全一样的金属小球.玻璃容器周围有刻度ZOQ，ZOQ与Ag等高，并分 成 360°
实验开始时，首先调整零点，即让指针犻调到扭力计刻度上的零点，使狇、间 的细丝自然下垂，大小相同的金属小球犱与A相互接触.库仑使一枚插在绝缘细棒 上的大头针带上电，然后把它伸到孔犿里，接触犱球，犱球与A球接触，从大头针 转移过来的电荷在两球之间等量分配，使犱球与A球带上同号等量的电荷.由于相 互排斥，A、犱将离开一段距离.转动旋钮犫改变银丝扭转角度（即改变扭力），可改 变A、d两球间的距离.库仑做了三次数据记录:第一次令两小球相距36个刻度;第 二次令两小球相距18个刻度;第三次令两小球相距8. 5个刻度，三次间

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