《電動力學》是作者在多年教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合當前學生的新特點編寫而成�！峨妱恿W》加強了對基本概念與基礎(chǔ)理論的文字描述，相應的減少了部分定理、推論等繁雜的證明過程；此外，還針對學生的興趣調(diào)整了教學內(nèi)容，并增加了與電動力學相關(guān)的研究進展。全書內(nèi)容包括電動力學的數(shù)學基礎(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、電動力學相關(guān)研究領(lǐng)域簡介。
《電動力學》適合理科物理專業(yè)本科生學習使用，也可作為教師等相關(guān)人員參考使用。
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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”與“動力學”的研究對象及其名稱后，提出動電理論應當稱為“電動力學”（electrodynamics）。隨后，安培又進一步總結(jié)了當時有關(guān)動電理論的研究成果，于1822年和1827年分別發(fā)表了《電動力學的觀測匯編》和《電動力學理論》共兩本專著。實際上這只是電學和磁學的第一次結(jié)合，與現(xiàn)在的電磁學（electromagnetism）沒有嚴格的區(qū)分。
1831年，法拉第電磁感應定律的發(fā)現(xiàn)及電磁場思想的提出，促使電學與磁學更加緊密地結(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)知道電磁學是研究電磁現(xiàn)象和規(guī)律的學科，是普通物理學的一個重要組成部分。電磁學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、電磁振蕩及電磁波。電磁學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)律及其應用。最后.電磁學總結(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，電動力學是研究電磁現(xiàn)象一般規(guī)律的學科。電動力學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，因此電動力學通常還包括狹義相對論。
從上面的分析不難看出電磁學與電動力學的異同。它們的差別主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①電磁學與電動力學研究的對象相同，即電磁現(xiàn)象；②電磁學是電動力學的基礎(chǔ)，最后給出麥克斯韋方程組，而電動力學從麥克斯韋方程組開始；③電磁學主要是通過實驗定律來分析電磁現(xiàn)象，而電動力學則利用矢量場論、張量分析等數(shù)學工具來研究電磁現(xiàn)象，更注重理論推演；④電磁學偏重研究靜電場和靜磁場的問題，而電動力學的主要研究內(nèi)容之一則是迅變電磁場；⑤電動力學包括狹義相對論。
電動力學在大學本科層次屬于理論物理學范疇，相對普通物理學而言涉及的數(shù)學知識更豐富，需要學習和記憶的公式更多，一些概念的理解也更加困難，習題求解不僅較難且用時也較多。雖然對于部分初學者來說可能會感到電動力學難學，但是，由于電動力學理論體系非常嚴謹，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習理論物理的興趣。同時，電動力學中還蘊含著豐富的哲學思想和美學成分，一些研究方法不僅適用于電動力學，而且也適用于物理學的其他分支學科，甚至對物理學以外的自然科學、社會科學都有借鑒作用。
目錄
前言
第1章 電動力學的數(shù)學基礎(chǔ)與基本理論
1.1 電動力學的數(shù)學基礎(chǔ) 1
1.1.1 矢量分析與張量簡介 1
1.1.2 場的梯度、散度和旋度 4
1.1.3 常用公式 8
1.1.4 有關(guān)矢量場的幾個定理 11
1.1.5 函數(shù)與點電荷的密度分布 13
1.2 靜態(tài)場的基本方程 14
1.2.1 靜電場的基本方程 14
1.2.2 靜磁場的基本方程 19
1.3 麥克斯韋方程組 23
1.3.1 電場的散度和旋度方程 23
1.3.2 磁場的旋度和散度方程 25
1.3.3 真空中的麥克斯韋方程組 27
1.3.4 介質(zhì)中的麥克斯韋方程組 29
1.3.5 介質(zhì)的電磁性質(zhì)方程和歐姆定律 33
1.3.6 洛倫茲力公式 35
1.4 電磁場的勢函數(shù) 36
1.4.1 矢量勢函數(shù)和標量勢函數(shù) 36
1.4.2 規(guī)范不變性 37
1.4.3 達朗貝爾方程與推遲勢 39
1.4.4 靜電場和靜磁場勢函數(shù) 42
1.5 電磁場的邊值關(guān)系和場方程的完備性 45
1.5.1 場強在界面上法向分量的邊值關(guān)系 46
1.5.2 場強在界面上切向分量的邊值關(guān)系 47
1.5.3 其他量的邊值關(guān)系 48
1.5.4 靜電揚和靜磁場勢函數(shù)的邊值關(guān)系 49
1.5.5 電磁場方程的完備性 51
1.6 電磁場的能量和動量 53
1.6.1 帶電體系與電磁場的能量守恒定律 54
1.6.2 靜電場和靜磁場的能量 58
1.6.3 帶電體系與電磁場的動量守恒定律 60
第2章 狹義相對論 64
2.1 經(jīng)典時空觀及其局限性 64
2.1.1.經(jīng)典力學時空理論簡介 65
2.1.2 經(jīng)典時壁理論的局限性 67
2.1.3 邁克耳孫-莫雷實驗 70
2.1.4 對邁克耳孫-莫雷實驗結(jié)果的解釋 71
2.1.5 愛因斯坦筒介 73
2.2 狹義相對論的時空理論 74
2.2.1 狹義相對論的兩個基本原理 74
2.2.2 相對論的時空結(jié)構(gòu) 76
2.2.3 洛倫茲變換 77
2.2.4 洛倫茲收縮和愛因斯坦延緩 82
2.3 相對論的四維形式和電磁場方程的不變性 86
2.3.1 閔科夫斯基空間及洛倫茲變換的四維形式 86
2.3.2 四維協(xié)變量 88
2.3.3 四維勢矢量與達朗貝爾方程的不變性 91
2.3.4 電磁場張量與麥克斯韋方程組的不變性 93
2.4 相對論力學 97
2.4.1 四維動量 97
2.4.2 物體的能量和質(zhì)量 98
2.4.3 相對論力學方程 100
2.4.4 相對論分析力學 104
第3章 靜電場與靜碰場 107
3.1 靜電場的分離變量法 107
3.1.1 靜電勢的邊值問題 107
3.1.2 拉普拉斯方程的解 108
3.1.3 典型例題分析 111
3.2 靜電場的鏡像法 116
3.2.1 鏡像法的概念和適用條件 116
3.2.2 典型例題分析 117
3.3 格林函數(shù)法 124
3.3.1 格林函數(shù) 124
3.3.2 給定邊值問題的解 125
3.3.3 幾類格林函數(shù)和相應空間的勢函數(shù) 126
3.3.4 典型實例分析 128
3.4 近似方法 129
3.4.1 靜電場的多極展開 130
3.4.2 小區(qū)域電荷體系與外電場的相互作用 132
3.4.3 靜磁場的多極展開 134
3.4.4 小區(qū)域電流體系與外磁場的相互作用 135
3.5 磁標勢法 136
3.5.1 磁標勢引人的條件 137
3.5.2 磁荷密度和磁標勢滿足的方程 138
3.5.3 磁標勢的邊值關(guān)系 138
3.5.4 用磁標勢求解靜磁場的實例和磁屏蔽 139
3.6 數(shù)值計算法 141
3.6.1 有限差分法 142
3.6.2 有限元法 146
3.6.3 Matlab偏微分方程工具箱 149
第4章 電磁波及其與物質(zhì)的相互作用 152
4.1 電磁波動方程和亥姆霍茲方程 152
4.1.1 電磁波動方程和邊界條件 152
4.1.2 時譜電磁波的亥姆霍茲方程 153
4.2 電磁波在絕緣介質(zhì)界面上的反射和折射 154
4.2.1 平面電磁波在無限大均句介質(zhì)中的傳播特性 154
4.2.2 平面電磁波在介質(zhì)界面上的反射和折射 158
4.3 導體為邊界的高頻電磁振蕩和微波傳送 162
4.3.1 導體中平面電磁波的基本特性 162
4.3.2 以理想導體為邊界的邊值問題 165
4.3.3 諧振腔與波導管 166
4.4 諧振蕩電流體系的多極輻射和天線輻射 170
4.4.1 計算輻射場的一般公式 170
4.4.2 電偶極輻射 173
4.4.3 磁偶極輻射和電四極輻射 174
4.4.4 天線輻射 177
4.5 運動帶電粒子的輻射 180
4.5.1 李納-維謝爾勢 180
4.5.2 運動帶電控子的輻射場和角分布 182
4.5.3 朝致輻射和同步輻射 183
4 5.4 切倫柯夫輻射 185
4.5.5 運動帶電植子電磁場對自身的反作用 187
4.6 介質(zhì)對電磁波的作用 189
4.6.1 電子對電磁波的散射 189
4.6.2 電磁波的吸收與色散 192
4.6.3 經(jīng)典電動力學的適用范圍 195
第5章 電動力學相關(guān)研究領(lǐng)域簡介 197
5.1 超導電現(xiàn)象和高溫超導 197
5.1.1 超導體的基本特性 197
5.1.2 超導體的唯象理論 199
5.1.3 超導電性的微觀理論和高溫超導體 201
5.1.4 超導體的應用 203
5.2 等離子體物理 204
5.2.1 等離子體的基本特性 204
5.2.2 磁流體動力學 207
5.2.3 等離子體振蕩和電子等離子波 210
5.2.4 等離子體的應用 211
5.3 超冷原子物理 212
5.3.1 激光腳原子 212
5.3.2 原子的捕挾 214
5.3.3 玻色-愛因斯坦凝聚 215
5.3.4 冷原子的應用 216
5.4 光子晶體和左手材料 218
5.4.1 光子晶體 218
5.4.2 左手材料 221
習題與參考答案 226
參考文獻 238
附錄 239
附錄I 柱坐標與球坐標系下的矢量微分公式 239
I.1 桂坐標下的矢量微分公式 239
I.2 球坐標下的矢量微分公式 239
附錄II 常用矢量和張量分析公式 240
附錄III 數(shù)值解拉普拉斯方程的程序 240
III.1 例3.6.1的Matlab程序碼和繪圖語句 240
III.2 例3.62的Matlab程序碼和繪圖語句 242
III.3 例3.6.3的地tlab程序碼和繪圖程序 243
III.4 例3.6.4的Matlab程序碼和繪圖程序 244
附錄IV 重要的物理常數(shù)(國際單位制) 246
1）集成光學元件
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家們相信能夠利用光子晶體或準晶等長程有序的物質(zhì)來制作集成光學元件，從而達到控制光傳播的目的。
2）無損耗光通路
傳統(tǒng)的波導和光纖是利用全反射原理傳遞光波，當波導彎曲角度過大時，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內(nèi)傳播。利用二維光子晶體所制作的角度彎曲波導可以解決這個問題。
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。這類似于電流在導線中的傳播，只有沿著“光子導線”（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。
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