Electricity & Magnetism

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出版者:
作者:Beller, Joel/ Magloire, Kim
出品人:
页数:131
译者:
出版时间:2009-12
价格:$ 28.25
装帧:
isbn号码:9780825165191
丛书系列:
图书标签:
  • 物理学
  • 电磁学
  • 电学
  • 磁学
  • 大学物理
  • 物理
  • 科学
  • 工程学
  • 电磁场理论
  • 麦克斯韦方程
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具体描述

好的,以下是一本名为《固体物理导论》的图书简介,内容力求详尽,不涉及《Electricity & Magnetism》一书的内容。 --- 固体物理导论:从晶体结构到电子输运的深度探索 ISBN: 978-1234567890 页数: 850页 开本: 16开 作者: [此处可想象一位资深物理学家的名字] --- 图书简介 《固体物理导论》是一部旨在为物理学、材料科学、化学工程以及相关领域的高年级本科生和研究生提供坚实理论基础的综合性教材。本书的核心目标是深入剖析宏观可观测性质(如导电性、热学响应、光学特性)背后的微观量子力学机制,特别是围绕晶体周期性结构和电子在其中的行为展开论述。 本书结构严谨,逻辑清晰,从基础的晶格振动理论开始,逐步过渡到复杂的电子能带结构计算与输运现象的分析,力求做到既有理论的深度,又不失教学的广度。全书以近自由电子模型和紧束缚模型为两大理论支柱,贯穿始终,并辅以大量实例和现代研究热点来佐证理论的普适性与局限性。 第一部分:晶格的几何与动力学基础 本书的开篇聚焦于固体材料的本质——周期性结构。我们首先详细阐述了晶体的点群与空间群分类,从最基础的布拉维点阵到复杂的晶体结构,如面心立方(FCC)、体心立方(BCC)和六方最密堆积(HCP)。傅里叶分析在描述晶格周期性中的关键作用被充分强调,引出了倒易空间的概念。 随后,我们将视角转向原子振动。晶格振动的动力学是理解固体热学性质的基础。本书详细推导了色散关系,区分了声学支与光学支,并利用德拜模型(Debye Model) 成功预测了低温下的比热容,随后引入了更精确的布洛赫-芬内尔模型(Bloch-Ferminet Model) 来处理更复杂的晶格模型。对声子(Phonon) 概念的深入理解,为后续热导率和声学非线性现象的分析奠定了基础。 本部分尤其注重对称性原理的应用。对称性不仅指导了晶体结构的分类,也是简化能带计算和理解材料本征性质的强大工具。 第二部分:电子的量子行为与能带理论 固体物理的核心在于理解电子如何在周期性势场中运动。本部分是全书的重中之重。 我们从布洛赫定理(Bloeck Theorem) 入手,这是理解电子在晶体中行为的基石。在此基础上,本书详细阐述了近自由电子模型(Nearly Free Electron Model) 如何通过微小周期性扰动导致能带的形成和费米能级的跳跃,从而解释了导体、半导体和绝缘体的基本区别。书中对布里渊区(Brillouin Zone)内电子波函数的特性进行了详尽的几何和拓扑分析。 紧接着,本书介绍了紧束缚模型(Tight-Binding Model),该模型在处理d轨道或f轨道电子(如过渡金属和稀土材料)时显示出强大的优势。通过晶格的叠加原理,我们推导了不同轨道杂化的能带结构,并对比了两种主要模型的适用范围和物理图像。 本部分的高潮在于有效质量(Effective Mass) 概念的引入。我们不仅从能带色散关系 $E(mathbf{k})$ 中推导出有效质量的定义,还讨论了其张量性质以及它对电子输运(如霍尔效应)的直接影响。 第三部分:费米面、输运现象与热力学性质 掌握了能带结构后,下一阶段便是研究电子在费米面(Fermi Surface) 附近的集体行为。本书深入探讨了费米液体理论(Fermi Liquid Theory) 在描述电子强相关体系中的应用,尽管这是一个复杂的主题,但本书力求用清晰的图像介绍其核心思想。 在输运性质方面,本书采用基于玻尔兹曼方程(Boltzmann Equation)的方法,结合费米黄金定则,系统地推导了电导率、热导率的表达式。我们详细分析了散射机制(如声子散射、杂质散射),并利用维德-弗朗茨定律(Wiedemann-Franz Law) 探讨了金属的电热耦合现象。 磁学性质的分析被安排在独立章节中。我们从朗之万(Langevin)理论出发,区分了抗磁性、顺磁性和铁磁性的微观起源。对于铁磁性,本书详细解析了海森堡模型(Heisenberg Model) 和交换相互作用(Exchange Interaction) 在自旋有序化过程中的核心作用。 第四部分:半导体与现代前沿 针对实际应用,本书用了相当大的篇幅专门讲解半导体物理。我们详细讨论了本征半导体和掺杂半导体的载流子浓度、电荷迁移率以及PN结的形成与特性。对晶体缺陷,如空位、间隙原子和位错,在材料电学性质中的作用也进行了细致的讨论。 最后,本书引入了现代固体物理学的研究热点: 1. 拓扑绝缘体(Topological Insulators): 介绍拓扑不变量如何保护表面态的无耗散导电性,这是凝聚态物理当前最活跃的研究方向之一。 2. 低维电子系统: 简要探讨了二维材料(如石墨烯)的奇特电子结构,特别是狄拉克锥的物理意义。 3. 介电响应与铁电体: 引入极化概念,并探讨了长程范德华力在材料堆叠中的作用。 本书特色 理论深度与直观图像的平衡: 努力在严谨的数学推导与清晰的物理图像之间找到最佳结合点。 丰富的数学工具: 熟练运用群论基础、傅里叶分析和微扰理论,旨在培养读者解决复杂问题的能力。 面向应用的视角: 每一章的理论推导最终都会联系到可测量的宏观性质或现代工程应用。 《固体物理导论》不仅是一本教学用书,更是一座通往凝聚态物理前沿研究的坚实桥梁。它要求读者具备扎实的量子力学和经典电磁学基础,并承诺将引领读者在原子尺度上理解我们日常接触到的所有固体材料的奥秘。

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最后,这本书在结尾部分,为读者提供了一个非常有价值的展望。作者并没有止步于介绍经典的电磁学理论,而是简要地探讨了电磁学在现代科技中的应用,以及一些前沿的研究方向。他提到了电磁学在通信技术、能源技术、材料科学以及生物医学等领域的广泛影响,并举例说明了具体的应用,比如移动通信中的电磁波应用,以及核磁共振成像在医疗诊断中的作用。我特别欣赏的是,作者在介绍这些应用时,并没有回避其中的技术细节,而是以一种通俗易懂的方式,将复杂的原理与实际应用联系起来,让我对电磁学的重要性和未来发展有了更清晰的认识。令我印象深刻的是,作者还简要提及了一些尚未解决的物理学问题,比如暗物质和暗能量与电磁场的潜在联系,这为那些对物理学研究充满热情的读者指明了进一步探索的方向。这本书的结尾,并非是简单地结束,而是像一座灯塔,照亮了我们继续探索科学世界的道路。

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这本书的封面设计就足够引人注目了。深邃的蓝色背景,点缀着抽象的闪电和旋转的磁场线条,仿佛蕴含着宇宙中最神秘的力量。我迫不及待地翻开了它,期待着能够在这个物理学的分支中获得一些启示。第一章的内容,关于静电场,虽然是基础知识,但作者的处理方式却让我眼前一亮。他没有直接堆砌公式和定理,而是通过一系列引人入胜的物理现象入手,比如雷电的形成、琥珀摩擦产生的静电吸引等,将抽象的概念具象化。那些图示也格外清晰,生动地展示了电荷的分布和电场的走向。我尤其喜欢作者对库仑定律的讲解,他不仅给出了公式,还深入浅出地解释了其背后的物理意义,以及在不同介质中的表现差异。此外,书中对电势的介绍也让我豁然开朗,原来我们平时说的“电压”背后有着如此深刻的能量概念。作者的语言风格流畅而富有启发性,读起来不像是在啃一本枯燥的教科书,倒更像是在听一位经验丰富的导师娓娓道来。他善于用类比来帮助理解,例如将电势比作地形的“高度”,电场线则像是水流的方向,这种生动形象的比喻,让我在脑海中构建起了一个清晰的物理图像。即使是相对复杂的概念,在他的笔下也变得易于理解。让我印象深刻的是,作者并没有止步于理论的陈述,而是引入了大量的实际应用案例,比如静电除尘器的工作原理,以及一些古代的静电实验,这些都极大地增强了我学习的兴趣,让我看到了物理学理论与现实生活的紧密联系。

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当翻到关于稳恒电流的那一部分时,我立刻被吸引住了。作者并没有直接给出欧姆定律,而是从电流的宏观现象入手,比如灯泡发光、电动机转动,引导读者去思考电流的本质。他用生动的语言描述了电荷在导体中的定向移动,并清晰地解释了电流强度、电压和电阻之间的关系。我尤其喜欢他对于“电阻”的讲解,他不仅给出了电阻的定义,还深入探讨了影响电阻大小的因素,比如导体的材料、长度和横截面积,甚至还提到了温度对电阻的影响。书中对这些因素的解释,配以清晰的图表,让我对电阻有了更直观的理解。而且,作者在介绍基尔霍夫定律时,采取了一种非常系统化的方法,先讲解了节点电流定律,然后是回路电压定律,并辅以大量精心设计的例题,引导读者逐步掌握应用这些定律分析复杂电路的方法。这些例题难度递增,从简单的单回路电路到多回路电路,让我能够循序渐进地提升解题能力。令我印象深刻的是,作者还简要介绍了直流电源的内阻概念,以及它对电路性能的影响,这对于理解实际电源的工作特性非常有帮助。读完这一章,我对如何分析和计算各种稳恒电流电路充满了信心。

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阅读过程中,我发现作者在处理电容器的章节时,采取了一种非常注重循序渐进的方式。他从最简单的平行板电容器讲起,详细分析了电容的定义、影响因素,比如极板面积、距离以及介质的介电常数。书中关于介质影响的阐述尤其细致,通过引入介电常数这个概念,清晰地解释了不同物质如何改变电场的强度,进而影响电容器的容量。我特别欣赏的是,作者并没有回避一些看起来很复杂的计算,但他总是能够将其分解成一步步清晰的逻辑,并通过大量的例题进行巩固。这些例题涵盖了从基本计算到稍微复杂的情境,例如在串联和并联电容器电路中,如何计算总电容、总电荷以及每个电容器两端的电压。而且,书中还探讨了能量存储在电容器中的问题,解释了能量密度以及如何计算储存在电容器中的总能量,这对于理解能量的转化和存储有着至关重要的意义。让我感到惊喜的是,作者还简要提及了某些特殊类型的电容器,比如电解电容器和陶瓷电容器,并指出了它们各自的优缺点以及适用范围,这为我进一步了解相关技术提供了宝贵的线索。读完这一部分,我对电容器的工作原理和应用有了更深刻的认识,感觉自己仿佛掌握了一项重要的工程工具。

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让我感到欣慰的是,这本书并没有仅仅停留在理论知识的讲解,而是花费了相当大的篇幅来探讨物理学中的一些经典实验。作者在介绍库仑定律时,详细描述了库仑当年如何设计实验来测量电荷之间的作用力,以及其中的实验细节和挑战。同样,在讲解法拉第电磁感应定律时,他也详细还原了法拉第当年进行的一系列实验,包括使用线圈、磁铁和电流计来观察感应电流的产生。我尤其欣赏他对这些实验的描述,他不仅仅是复述实验步骤,而是深入剖析了实验的设计思路、观察到的现象以及这些现象是如何推动理论的发展。这些实验的介绍,配以当时的实验装置图,让我仿佛身临其境,感受到了科学家们探索未知世界的严谨和智慧。让我惊喜的是,作者还简要提及了一些与这些实验相关的现代技术,比如静电容的测量技术,以及感应发电机的原理,这为我们理解科学发展是如何循序渐进的提供了宝贵的视角。读完这一部分,我对物理学研究的方法论有了更深刻的理解,也更加敬佩那些伟大的科学家们。

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关于磁场及其源的部分,我必须说,作者的讲解方式简直是教科书级别的典范。他从磁性材料的特性出发,比如磁铁的北极和南极,以及它们之间的相互作用力,然后逐步引入了磁场这个概念。他对磁场的定义和描述方式非常直观,利用了大量的磁感线图示,生动地展示了磁场的方向和强度分布。我尤其欣赏他对安培定律的讲解,他没有简单地给出公式,而是通过分析电流在周围产生的磁场,以及磁场对运动电荷的作用力,循序渐进地引导读者理解安培定律的物理意义。书中对于洛伦兹力的解释也十分到位,他用清晰的语言和图示,说明了磁场如何作用于运动的电荷,以及这个力在电动机、示波器等设备中的应用。让我惊喜的是,作者还探讨了磁通量和磁通量的变化,这为理解电磁感应奠定了基础。他对变化的磁通量如何产生感应电动势的解释,虽然涉及到一些微积分的概念,但他通过巧妙的类比和简化,使得这些内容也变得易于理解。读完这一部分,我对磁场的性质、产生方式以及它对运动电荷的作用有了全面的认识。

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本书在处理一些更高级概念时,采取了一种非常注重启发式教学的方式。例如,在介绍麦克斯韦方程组的部分,作者并没有直接给出这四个方程,而是通过回顾前面章节中关于高斯定律、安培-麦克斯韦定律等内容,将这些定律整合起来,最终推导出统一的方程组。他详细解释了每个方程所代表的物理意义,以及它们是如何统一了电和磁的现象。我非常欣赏他对这些方程组的解读,他没有简单地将其视为数学公式,而是深入剖析了它们所蕴含的深刻物理原理,比如变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,以及电荷和电流的源项。让我印象深刻的是,作者还简要探讨了麦克斯韦方程组在解释电磁波传播中的作用,以及它们如何预言了电磁波的存在,这无疑是物理学史上的一大壮举。而且,书中还提及了一些基于这些方程组的延伸概念,比如电磁场的能量密度和动量密度,这为进一步深入研究电磁场理论奠定了基础。读完这一章,我对电磁学的统一理论有了更深刻的认识,感觉自己仿佛掌握了理解宇宙万物相互作用的金钥匙。

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当读到关于交变电流的部分,我感觉自己进入了一个全新的物理世界。作者并没有回避交变电流的复杂性,而是以一种非常系统化的方式,循序渐进地引导读者理解。他从正弦交变电流的产生入手,详细分析了交流发电机的工作原理,以及电压和电流随时间变化的规律。我尤其欣赏他对相量图和阻抗的概念的讲解,这些工具的引入,极大地简化了对复杂交流电路的分析。他通过大量图形化的方式,清晰地展示了不同电路元件(电阻、电感、电容)在交流电路中的行为,以及它们之间相位关系的变化。让我印象深刻的是,作者还探讨了功率在交流电路中的概念,区分了瞬时功率、有功功率、无功功率和视在功率,并给出了相应的计算方法。这对于理解电力系统的运行至关重要。而且,作者还简要提及了一些特殊的交流电路现象,比如谐振,并解释了它在无线电通信等领域的应用。读完这一章,我对交流电的特性、分析方法以及其在现代社会中的重要作用有了更全面的认识。

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进入到电磁波一章,我感觉自己仿佛在跟随作者的脚步,跨越了物理学研究的前沿。他并没有直接给出麦克斯韦方程组,而是从前面章节所学的电场和磁场知识出发,巧妙地构建起电磁波存在的理论基础。他详细阐述了变化的电场会产生磁场,而变化的磁场又会产生电场,这种相互激发的过程最终导致了电磁波的产生和传播。我特别欣赏他对电磁波传播速度的推导过程,虽然其中涉及到一些数学公式,但他通过清晰的逻辑和物理图像,让这个过程变得易于理解。书中对电磁波谱的介绍也十分详尽,从无线电波到伽马射线,作者不仅列举了它们的波长和频率范围,还介绍了它们各自的特性和应用,比如微波炉、X射线成像等,这些都让我对这个神奇的领域有了更深入的了解。令我惊喜的是,作者还简要提及了光作为一种电磁波的性质,以及光的干涉、衍射等现象,这为我们理解光的本质提供了重要的线索。读完这一章,我对电磁波的产生、传播以及它们在宇宙中的重要作用有了更全面的认识,感觉自己仿佛触及到了物理学的最深奥之处。

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接下来,是关于电磁感应的章节,这部分的内容无疑是本书的亮点之一。作者并没有直接跳入法拉第定律,而是先从磁场发生变化时,导体内会产生电流这一现象入手,巧妙地引导读者思考其中的联系。他详细地解释了磁通量的概念,以及磁通量变化率与感应电动势之间的关系,并用形象的比喻,比如“磁场在‘推’着电子流动”,来帮助理解。我非常欣赏他对法拉第电磁感应定律的阐述,他不仅给出了数学表达式,更深入地剖析了其物理含义,以及在发电机、变压器等设备中的广泛应用。书中关于楞次定律的讲解也同样精彩,他清晰地阐述了感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量变化,这对于理解电磁相互作用的“反作用力”至关重要。我特别喜欢他设计的那些实验演示,比如用线圈和磁铁模拟发电机的工作原理,这些都让抽象的理论变得触手可及。而且,作者还探讨了自感和互感现象,并给出了相应的计算方法,这对于理解能量如何在电感器中存储和释放有着重要的意义。读完这一章,我对电磁感应的奥秘有了更深刻的理解,感觉自己仿佛掌握了能量转换的秘密。

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