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編輯推薦

　　本書作者在北大主講電動力學課程多年，集多年教學經驗編寫瞭第一版，齣版後獲評為北京市精品教材，本書是在第一版基礎上的修訂版。

內容簡介

　　電動力學是物理與電磁相關專業本科生的一門理論課、專業基礎課。本書係統地闡述經典電磁場的基本概念、基本原理和理論體係。主要內容包括靜電場、靜磁場的規律和解法，穩恒電場、穩恒磁場的規律和解法，時變電磁場所遵循的普遍規律（麥剋斯韋方程組）及其求解方法，簡諧電磁波的輻射、傳播和傳輸的規律，與介質相互作用的規律。還包括在動體電動力學基礎上誕生的狹義相對論、相對論運動學、相對論電動力學、相對論牛頓力學、相對論分析電動力學，以及運動電荷的自有電磁場、輻射場、輻射阻尼和介質對電磁波的散射、介質色散等內容。
　　本書可作為理工科大學各物理類專業和電子工程類專業的本科生教材或參考書，也可供教師、研究人員、研究生以及對電磁場和狹義相對論有興趣的其他人員參考。

作者簡介

　　俎棟林，1946年生，北京大學技術物理係核物理畢業。承擔過核物理專業本科生電磁學輔導和主講、電磁學實驗課教學，編寫《電磁學習題課教材》內部講義。1993年開始接班主講本科生“電動力學”（A類）主乾基礎課。2006年電動力學教科書由清華大學齣版社齣版，2008年評為北京高等教育精品教材。1995年開始講“核磁共振成像學（MRI）”研究生課程（4學分必修）（計16屆），撰寫“核磁共振成像學”講義1998年由北大教材科印齣。2001-2002經教育部組織專傢評審被遴選為全國研究生優秀教材，2004年由高教齣版社齣版。1998年在唐孝威院士主編的《腦功能成像》專著中有兩章由俎棟林教授主筆。

內頁插圖

目錄

第0章數學準備: 矢量分析1
習題3
第1章靜電場6
1.1真空中的靜電場6
1.2真空中靜電場的散度和鏇度8
1.3介質中的靜電場12
1.4靜電勢、泊鬆方程和拉普拉斯方程15
1.5靜電問題的惟一性定理19
1.6分離變量法21
1.7鏡像法25
*1.8靜電問題的格林函數法30
1.9靜電場的能量35
1.10電多極矩及其與外場的相互作用36
習題41
第2章穩恒電、磁場和靜磁場44
2.1穩恒電流與穩恒電場44
2.2真空中穩恒電流磁場49
2.3磁矢勢55
2.4磁介質中的磁場63
2.5磁矢勢滿足的微分方程66
2.6靜磁場68
2.7穩恒電流磁場的磁標勢解法73
*2.8磁屏蔽77
2.9載流綫圈間相互作用，磁場的能量78
2.10磁偶極子的磁場及其與外場的相互作用81
本章結語87
習題87
第3章時變電磁場的普遍規律89
3.1法拉第定律和渦鏇電場89
3.2麥剋斯韋方程組與洛倫茲力公式90
3.3電磁場的能量轉換與守恒定律，坡印亭矢量94
3.4電磁場的動量轉換和守恒定律95
3.5電磁波動方程和電磁波100
*3.6時變電磁場的初、邊值問題及其解的惟一性102
3.7電磁場的矢勢與標勢104
習題110
第4章時諧輻射場112
4.1定域振蕩電荷、電流係統産生輻射場的一般規律112
4.2電偶極輻射116
4.3磁偶極輻射和電四極輻射118
4.4從中央饋送的直綫天綫輻射123
4.5天綫陣列127
習題129
第5章電磁波的傳播131
5.1平麵電磁波131
5.2電磁波在絕緣介質分界麵上的反射與摺射136
5.3電磁波在導電介質中的衰減及在導體錶麵上的反射和透射144
5.4赫茲勢和赫茲波動方程，亥姆霍茲勢和亥姆霍茲波動方程153
5.5矩形波導158
5.6圓柱形波導中的導行波168
5.7同軸傳輸綫173
5.8電磁駐波與諧振腔178
5.9電磁波在等離子體中的傳播185
習題193
第6章狹義相對論195
6.1狹義相對論的實驗基礎及産生的曆史背景195
6.2狹義相對論基本原理及洛倫茲變換201
6.3相對論運動學204
6.4數學準備: 張量分析219
6.5電動力學方程的相對論協變形式224
6.6相對論牛頓力學235
*6.7相對論分析電動力學246
習題252
第7章運動電荷的輻射255
7.1任意運動電荷的勢和場255
7.2加速運動電荷的輻射259
7.3直綫加速器中的輻射262
7.4同步(加速器)輻射264
7.5切倫科夫輻射272
習題276
第8章電磁場(波)與電子(物質)的相互作用278
8.1電子的電磁質量和計及輻射阻尼效應的A�睱方程278
8.2諧振電子的輻射阻尼和光譜綫的自然寬度283
*8.3自由電子對電磁波的散射286
*8.4束縛電子對電磁波的散射289
8.5介質的色散和吸收292
8.6導體的色散297
習題300
附錄A正交麯綫坐標係301
附錄Bδ函數303
附錄C球函數304
附錄D柱函數307
附錄E常用的物理常數311
習題答案312
參考文獻320

前言/序言

　　本書自2006年齣版， 2008年被評為北京高等教育精品教材，2009年收到彭國良先生的來信，誠懇指齣書中存在的兩個具體錯誤。北京大學物理學院劉剋新教授接班主講A類電動力學課使用本教材，也發現瞭一些這類錯誤，許多網友也指齣存在不少小錯誤，在此一並錶示感謝。這次修訂首先是糾正所有錄入錯誤和少許原本錯誤，並修飾一些用詞和錶達欠妥之處。
　　根據教學實踐和電磁工程設計、研製實踐的體驗，對教材重新進行審視，進行瞭適當的增刪，考慮到學時數普遍減少，刪除遠大於增添。為教學方便，在第1章之前增加一節“數學準備: 矢量分析”；矢量分析即矢量微積分或矢量場論，是本課程中運用最多的數學工具，大部分高校開電動力學課之前大都未完成該高數課最後部分的授課；即使學過，重溫復習一下也是必要的。因此，用1～2學時自補矢量分析，課後布置學生馬上做矢量分析習題，對於整個課程的教與學都會取得意想不到的效果。第6章6.6節末增加一小節“6.關於群速超光速問題的討論”。因為超光速的實驗發現，導緻人們對狹義相對論的質疑，引起瞭少許思想混亂，增加這一段是非常必要的。刪除內容主要是不屬於電動力學最核心的部分，比如屬於過分引申延展或屬於延伸雖不算過分但數學上過於繁瑣、艱深的內容，以及實踐證明實用性不強的磁場部件實例均予以刪除以減少篇幅。經實踐證明實用性很強的電磁結構實例全部保留。第2章2.2節中例2.2.1雖是很有用的結構，但所用數學處理屬於普物的範疇故予以刪除； 2.6節中例2.6.2所示磁體結構的屏蔽部分加工難度太大，估計難以普遍應用，予以刪除。相關部分是2.8節中“2.對外空間的屏蔽”小標題下麵一小段及“3.用反嚮電流産生的磁場進行自屏蔽”小標題予以刪除。2.10節中“5.核磁共振基本原理”一小節予以刪除，“2.11 目標場方法”一節予以刪除，盡管有研究人員有很大興趣，但鑒於對本科生來說難度太大；盡管刪除，但保留開頭一小段文字說明磁場設計有此新方法並指明齣處。相關的附錄2��1和2��2予以刪除。第4章中刪除4.6節“似穩電磁場”並刪除相關的習題4.12。第5章中5.7節“介質波導、光導縴維”，由於數學過繁，專業化過強予以刪除。第6章中四維微商算符采用瞭更現代的簡化寫法。
　　除瞭上述糾錯、增刪、改寫之外，是文字錶述、插圖（圖2.3.1）和符號錶達等的瑣細修飾和簡化，比如把第1章和第2章末的參考文獻移到書末，腳注引文也移到書末與原來書末參考書目統一編排。
　　應當說明，約十年前，為適應本科被定位於通纔教育的要求，而避免由於淡化基礎使本科教育流於培養博而不淵“萬金油”的悲劇，北京大學物理學院對本科生教學進行瞭改革，為學生準備兩套課程(模塊A和模塊B)，讓學生根據自己今後發展意願自主選擇，比如決定今後繼續進行物理深造並專注於物理研究的可選A類以保持物理基礎不被削弱，如今後準備轉嚮交叉學科的可以少學點物理以騰齣時間和精力選修其他學科開的相關課程，可選擇B類。而且對於兩套課程學生可以根據自己發展方嚮的需求交錯選擇，這樣可培養學生學習的主動性、自主性和積極性。於是電動力學課程分為A類(4學分)和B類(3學分)。籠統地說某些簡明教程適閤於B類或二本及師範院校，而本書適閤於A類及一本院校；然而未必盡然，選擇何類教材、多學還是少學、學深一點還是淺一點完全取決於任課教師或學生的意願和需求。比如說，本人從事的核磁共振成像(MRI)研究，雖屬於交叉學科，但其中的工程物理，磁體設計、綫圈設計、RF磁場設計等都要求學習A類電動力學而不是B類。
　　不當和錯誤之處仍然可能有，歡迎使用本書的師生和讀者批評、指正。
　　作者2016年5月於北京大學承澤園
　　對電磁現象的定量研究始於1785年庫侖定律發錶，1813年得到電通量的高斯定理和靜電勢的泊鬆方程。1820年奧斯特發現電流的磁效應是電磁學研究的重要裏程碑，同年安培、畢奧、薩伐爾建立瞭電流元之間、電流對磁極作用力的定律。安培提齣研究電的理論應稱為“電動力學”，並於1827年寫齣一本“電動力學理論”。1846年韋伯提齣“電動力學數學理論”，被稱為“韋伯電動力學”。法拉第1831年發錶電磁感應定律，提齣電場、磁場概念，1851年發錶“論磁力綫”，是近距作用、場概念的提齣者。至此，從理論上總結電磁場普遍規律的條件已經具備。1855年麥剋斯韋開始鑽研法拉第的三捲論文集《電學實驗研究》，主攻場的概念，引入新矢量函數描寫電磁場，1861年提齣“渦鏇電場”假設和“位移電流”假說。1865年發錶“電磁場的動力學理論”，總結齣麥剋斯韋方程組，預言電磁波的存在，提齣瞭光的電磁理論。1875年洛倫茲利用電磁場在介質界麵的邊值關係導齣瞭反射、摺射定律和菲涅耳公式，1878年提齣解釋光色散的電子論。1885年亥維賽首次把麥剋斯韋方程組整理成今天的形式。1888年赫茲發現瞭電磁波，作為一個“判決性”實驗，麥剋斯韋電磁理論被廣泛接受。到1900年左右，物理學的三個分支，即電學、磁學、光學，被閤並為一個統一的理論，稱為麥剋斯韋電磁理論。基於該理論，J.J.湯姆遜首次提齣電磁波沿金屬圓管內壁傳播的可能性。1897年瑞利奠定瞭矩形和圓形波導的理論基礎。1896年洛倫茲用其電子論成功解釋瞭塞曼效應，洛倫茲和塞曼榮獲瞭1902年諾貝爾物理奬。1897年J.J.湯姆遜發現瞭電子，獲得瞭1906年諾貝爾物理奬。1898年勒納德導齣瞭運動電荷的推遲勢，得到瞭加速運動電荷會産生輻射的結論，由於與赫茲一起發現光電效應，榮獲瞭1905年諾貝爾物理奬。總之，麥剋斯韋電磁理論為研究各種宏觀電磁問題和電磁工業應用奠定瞭統一而全麵的基礎。
　　然而，麥剋斯韋方程組從1865年發錶就麵臨著在伽利略變換下不滿足相對性原理的問題，認為隻有在絕對靜止的以太參考係麥剋斯韋方程組纔精確成立。於是，設計瞭各種實驗來測量地球相對於以太的絕對運動，測量精度最高的是1887年的邁剋耳遜�材�雷實驗，得到的是零結果。為瞭解釋實驗的零結果，洛倫茲於1892年提齣“洛倫茲收縮”假設，1904年提齣洛倫茲變換。1905年愛因斯坦發錶“論運動物體的電動力學”和“物體的慣性同它所包含的能量有關嗎？”兩篇論文建立瞭狹義相對論，導緻瞭時間和空間相統一的觀念。要求麥剋斯韋電磁理論服從相對性原理，必然導緻狹義相對論的誕生。沒有狹義相對論，這個理論與已經建立起來的牛頓力學理論不相協調。反過來說，麥剋斯韋電磁理論與相對論是完全協調一緻的，需要修改的是牛頓力學。因此，電動力學包括麥剋斯韋電磁場理論和狹義相對論以及經典電子論。麥剋斯韋電磁場理論又稱為經典電磁理論。電動力學,區彆於後來發展起來的量子電動力學,也叫經典或宏觀電動力學，主要研究宏觀帶電體如何産生電磁場、電磁場如何運動以及與帶電體和介質相互作用的規律。
　　電動力學理論在20世紀一方麵隨著應用範圍的擴大和深入而發展，主要圍繞麥剋斯韋方程組的求解展開理論，發展新的解法；另一方麵隨理論物理的發展和新理論融閤。為研究原子結構1926年量子力學建立起來，經典電磁場理論沒有包括光子的粒子性，不太適用於微觀客體的電磁作用，與量子力學不相容。1927年狄拉剋(P.Dirac)從電磁場的哈密頓原理齣發提齣電磁場的量子化理論，到1929年與泡利、海森伯一起建立量子場論，研究電子和電磁場的相互作用。1948—1950年，費曼、施溫格、朝永三人建立瞭量子電動力學(QED)，可以精確處理微觀輻射問題，精度高達10-10，是迄今最完美的物理理論，為此他們榮獲1965年諾貝爾物理奬。電動力學具有規範不變性，在它的啓發下，楊振寜和米爾斯（R.L.Mills）發展瞭規範場論，在規範場論基礎上，由格拉肖（S.L.Glashow）、薩拉姆（A.Salam）和溫伯格（S.Weinberg）建立瞭電磁作用與弱作用的統一理論，為此他們榮獲瞭1979年諾貝爾物理奬。量子力學和經典電動力學的結閤還導緻一個新學科，即量子電子學的誕生。從應用的角度說，電力工程的發展派生齣電機理論；第二次世界大戰前夕的三四十年代，由於雷達技術需要，幾個學派發展瞭幾套輻射理論，就電磁波天綫技術的需要派生齣天綫理論。麥剋斯韋方程組是矢量偏微分方程組，在單色波情況下矢量波方程可化為矢量亥姆霍茲方程，在一般麯綫坐標係中分量方程是耦閤的，無法分離變量。1935—1937年漢森(W.W.Hansen)提齣瞭直接求解矢量波方程的方法，得到的矢量波函數被稱為漢森函數。1941年斯特萊頓（J.A.Stratton）介紹瞭漢森的思路，給齣瞭解法，討論瞭解的形式。1971年C.T.Tai提齣用並矢格林函數可以直接求解麥剋斯韋方程組的邊值問題，給齣瞭形式完滿對稱的錶達式。就電磁波傳輸來說，波導傳輸實驗於1936年首次獲得成功，此後開始瞭微波理論和工程技術的發展史。電磁理論與力學理論結閤起來研究真空電子束與微波電磁場的相互作用，19世紀四五十年代發展瞭磁控管、速調管等功率源，行波加速管、駐波加速腔等微波電真空器件；伴隨受控熱核反應的研究發展瞭等離子體電動力學和磁流體力學；伴隨加速器的研究發現瞭同步輻射現象，發展瞭同步輻射理論和同步輻射光源。結閤電磁理論、相對論力學和量子力學研究相對論電子束與甚高頻電磁場相互作用,19世紀六七十年代發展瞭脈澤(MASER)、銫原子鍾、激光等。七八十年代還發明瞭自由電子激光、電子迴鏇諧振脈澤等高功率源。近30年來，隨著計算機的發展，電磁場數值計算方法、程序、軟件得到瞭大力發展。同時，電磁理論對毫米波雷達、光縴通信、衛星導航、遙控遙測遙感、電子對抗等應用需求的實現起到瞭很好的推動作用，然而其基礎仍然是麥剋斯韋經典電磁場理論。隨著粒子加速器技術、核磁共振譜儀及大型醫療設備如核磁共振成像機的發展，除射頻技術外，均勻磁場、梯度磁場設計方法包括“正方法”和“逆方法”都有新的發展。非綫性材料的電磁性質、生物電磁學等都對電磁場理論提齣瞭新的應用研究課題。
　　麥剋斯韋�猜迓鬃泉舶�因斯坦電動力學和牛頓力學理論、薛定諤�埠Ｉ�伯�駁依�剋量子力學並列，是對大學物理專業本科生進行基礎理論訓練的三大核心理論。這種訓練也包括理論聯係實際的訓練以及對電磁應用前沿領域的關注。雄厚的理論基礎不僅是産生廣泛適應性即適應物理學任一分支領域研究工作的必備條件，也是造就通觀全局的物理通纔包括未來能主持重大科學工程項目的科學泰鬥的必備條件。
　　求解電磁工程問題通常有兩個途徑，即“場”方法和“路”方法，各有整套的理論和方法。1847年基爾霍夫根據靜電場的無鏇性和電流連續性提齣電路基本方程，奠定瞭電路理論基礎。一般說“路”方法比“場”方法要簡捷得多。但是，“場”方法具有普遍性，“路”方法有局限性。高頻時電路定律失效，必須用“場”理論、“場”概念處理。
　　一個典型的電磁工程係統包括信號源(振蕩器或諧振腔)、信號調製、功率放大、發送、傳輸、接收、耦閤和用電磁場的部件。有些部分用“路”理論處理，有些部分用“場”理論處理。有些部分如耦閤器要同時運用“場”和“路”概念纔能處理。這些“接口”部分是書本上找不到的，即“場”理論和“路”理論都不包括的，要靠研究者的綜閤能力。電動力學的任務是隻討論電磁場的運動規律、狹義相對論以及單電子和電磁場的相互作用。由於課時限製，對電磁場隻討論最核心、最基本的問題。關於介質中的電磁場也隻限於綫性、各嚮同性介質。關於帶電粒子在電磁場中的運動也隻是給齣最基本的方程式。真正處理這類問題是“帶電粒子輸運（束流光學）”和“粒子動力學”的任務。關於電磁波也隻講達朗貝爾方程導齣推遲勢以處理輻射問題，講標量亥姆霍茲方程導齣亥姆霍茲勢以處理在波導中的傳播問題，不涉及更高深的內容如矢量亥姆霍茲方程、漢森函數、Hallen積分方程、矩量法等。
　　過去可能過於強調理、工的區彆，理科生不太瞭解在電磁工程中電磁理論是怎樣應用的，很少注意公式的適用條件，不知道怎樣取近似。概括講，有理論脫離實際的傾嚮。工科生對電磁理論的工程應用相對來說比較熟悉，然而一旦條件有變化，麵對新情況，對理論的應用就難以把握。而且，過去工科院校不講相對論，也就是說工科生理論修養的深度和廣度不足。自20世紀80年代開始，在教學內容上開始有些調整，注意理和工的結閤。本教材的目標是為新世紀重點理、工科大學物理專業和電子工程類專業提供一本理論聯係工程實際，觸及到應用前沿，有足夠深度和廣度，適閤60學時講授內容的電動力學教科書。書中介紹瞭一些電磁工程和電磁部件，增加瞭一些例題。
　　學習電動力學需要電磁學的基礎和具備數理方程、特殊函數等數學工具，課程本身需要自補矢量分析和張量分析的數學內容。本教材內容安排本著先易後難、循序漸進的原則，按著電磁理論産生、發展的先後順序，從靜電場開始，繼之穩恒場，再到時變場、穩態時諧場和運動物體電動力學。具體說，第1章講靜電場的性質和規律，根據靜電場的有散無鏇性引入電標勢，導齣泊鬆方程和拉普拉斯方程，把靜電問題歸結為三類“邊值問題”，介紹求解邊值問題的分離變量法、鏡像法、格林函數法和多極展開法。第2章講穩恒電場、穩恒電流磁場和靜磁場。其中穩恒電場的規律為電路理論提供瞭依據。靜磁場是指永磁體産生的磁場，其規律與靜電場完全相同，引進磁標勢，用分離變量法可以求解靜磁邊值問題。穩恒電流磁場的性質和規律是該章的重點。與靜電場（縱場）正好相反，穩恒電流磁場代錶另一類典型的準靜態場（橫場），根據其無散有鏇性，引進磁矢勢，藉助於磁矢勢可求解穩恒電流磁場問題。第3章講隨時間變化的電磁場的普遍規律，介紹建立在3大實驗定律（庫侖、安培�脖習陋踩�伐爾和法拉第定律）和位移電流假說基礎上的麥剋斯韋方程組、建立在3個物質性質定律（電介質極化、磁介質磁化和導體的歐姆定律）基礎上的物質方程和洛倫茲電磁力方程。這些方程閤在一起加上牛頓第二定律是完備的，可以描述所有電磁現象，解決一切電磁問題。由這些方程導齣電磁場能量轉化和守恒定律、電磁場的動量轉化和守恒定律以及電磁波動方程，定義瞭電磁場的能量、動量、能量流、動量流以及麥剋斯韋應力張量。根據時變電磁場的性質和規律，引入瞭電磁場的矢勢和標勢，在洛倫茲規範條件下，把麥剋斯韋方程組化為達朗貝爾方程，得到瞭推遲解，為後麵幾章討論電磁波輻射、傳播以及討論加速運動電子的輻射準備瞭理論基礎。第4章專講定域振蕩電荷、電流係統産生的輻射場，重點討論電偶極、磁偶極、電四極和半波天綫的輻射。第5章講電磁波的傳播規律，從平麵波場的邊值關係齣發，討論介質分界麵上電磁波的運動學行為（導齣反射、摺射定律）和動力學行為（導齣菲涅耳公式），進而討論全摺射和全反射現象和規律，涉及介質波導（光導縴維）和導體錶麵上的錶麵波以及趨膚損耗等概念。為討論電磁波在金屬管內的運動傳輸行為，引進赫茲勢和赫茲波動方程，導齣亥姆霍茲勢、亥姆霍茲方程、橫電和橫磁模式的邊界條件，把波導、同軸綫和諧振腔都歸結為邊值問題，其中，討論瞭本徵模、本徵波矢、相速、群速、簡並等許多重要概念。最後討論電磁波在等離子體中的運動傳播特性。第6章講狹義相對論，包括其産生的背景、實驗基礎、基本原理、運動學效應、電動力學方程的相對論協變式和分析力學形式。第7章講運動電荷的輻射，利用瞬時慣性係概念和洛倫茲變換導齣勒納德�餐�謝爾勢，得到任意運動電荷的電磁場由“自有場”和“輻射場”兩部分組成，進而討論兩種典型的輻射（直綫加速器輻射和同步加速器輻射）和介質

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評分☆☆☆☆☆

電動力學教科書，北大教授編寫的，難度是有的，比一般的電動力學教材要難，難難難，希望好好學習

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原來舊版買不到瞭，還好齣瞭新版，比郭老的電動力學有難度，難難難

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北大經典，並且有配套習題答案。不錯的選擇。

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很不錯的一本書，值得一讀。

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