具体描述
电子与磁学：基础原理与前沿应用 本书旨在为读者提供一个全面、深入且富有洞察力的电磁学导论，侧重于对基础物理原理的精确阐述以及这些原理在现代工程和科学技术中的广泛应用。全书结构严谨，逻辑清晰，力求在保持数学严谨性的同时，注重物理图像的构建，使读者能够真正掌握电磁场的精髓。 --- 第一部分：静电学的基石 本部分聚焦于电荷在静止状态下的行为及其产生的场效应。内容从最基本的电荷概念和库仑定律出发，逐步构建起描述静电力场的数学框架。 第一章：电荷、场强与高斯定律 本章首先介绍了电荷的性质，包括电荷守恒定律和电荷的量子化。随后，深入探讨了电场强度（$mathbf{E}$）的定义及其矢量特性。核心内容围绕高斯定律展开，详细讲解了电通量（Electric Flux）的概念，以及如何利用高斯定律简化对称电荷分布下的场强计算。书中包含了大量案例分析，涵盖无限大均匀带电平面、均匀带电球壳和无限长均匀带电直线等经典问题。此外，还引入了电荷密度（体、面、线密度）的概念，以处理非点电荷体系。 第二章：电势与静电能 本章将静电学的描述从场强度转向势能概念，引入电势（Electric Potential）的概念，并阐述电势与电场强度之间的微分关系（$mathbf{E} = -
abla V$）。通过功的定义，推导出静电场是保守场，进而讨论电势差（电压）的物理意义。章节重点讨论了等势面的性质及其在场线可视化中的作用。随后，深入分析了单个电荷、电偶极子在电场中储存的静电势能，并推导出电偶极子在外加电场中受到的力和力矩。最后，引入静电能量密度的概念，探讨电场如何存储能量。 第三章：导体、电介质与电容 本章将静电学理论应用于实际材料。首先，详细分析了导体在静电平衡状态下的特性，如导体内部场强为零、净电荷分布在表面、导体表面电场线垂直于表面等。在此基础上，引入电容（Capacitance）的概念，并计算了平行板电容器、同轴圆柱形电容器和球形电容器的电容值。 随后，内容转向电介质（Dielectrics）。引入电位移矢量（$mathbf{D}$），并阐述其与电场强度之间的关系，即介质本构方程（$mathbf{D} = epsilon mathbf{E}$）。详细分析了电介质进入电容器后对电容的影响，探讨了电极化（Polarization）的微观机制，包括电子极化、离子极化和取向极化。最后，讨论了介质中电场的边界条件。 --- 第二部分：稳恒电流与磁场起源 本部分从静电学过渡到稳恒电流的描述，并引入了磁场的概念及其与电流的内在联系。 第四章：电流、电阻与欧姆定律 本章首先定义了电流和电流密度（$mathbf{J}$），探讨了电荷的漂移速度模型。详细分析了欧姆定律的宏观形式（$V=IR$）和微观形式（$mathbf{J} = sigma mathbf{E}$），并讨论了电阻率和电导率的概念。利用电荷守恒原理，推导了电流连续性方程的稳恒态形式（$
abla cdot mathbf{J} = 0$）。本章还涵盖了电路中的功率耗散（焦耳热）和电池的电动势。 第五章：稳恒磁场与安培定律 本章引入了描述磁效应的磁感应强度（$mathbf{B}$）。通过对毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart Law）的详细推导和应用，计算了各种电流分布（如直线电流、圆环电流、螺线管）产生的磁场。 随后，重点讲解了磁场的积分形式——安培定律（Ampère's Law），并阐述了磁通量（Magnetic Flux）的概念。与高斯定律类似，详细展示了如何利用安培定律求解具有高对称性的电流分布（如无限长直导线、无限长载流平板）产生的磁场。 第六章：带电粒子在磁场中的运动与物质的磁性 本章专注于磁场对运动电荷的作用力，即洛伦兹力（Lorentz Force）。详细分析了带电粒子在均匀磁场中的回旋运动、螺旋运动，以及在交变电场和磁场中的复合运动。通过洛伦兹力，引出了霍尔效应的物理基础。 随后，内容转向磁性材料。引入磁场强度（$mathbf{H}$），并给出磁感应强度与磁场强度的本构关系（$mathbf{B} = mu mathbf{H}$）。详细分类和解释了抗磁性（Diamagnetism）、顺磁性（Paramagnetism）和铁磁性（Ferromagnetism）的微观机理，包括磁矩的来源和磁畴的概念。 --- 第三部分：电磁感应与麦克斯韦方程组的统一 本部分是电磁学理论的核心，描述了电场和磁场之间的动态耦合关系，最终汇集成完整的麦克斯韦方程组。 第七章：法拉第电磁感应定律 本章的核心是法拉第电磁感应定律，解释了变化的磁场如何产生电动势。详细分析了动生电动势（导体切割磁感线）和感生电动势（磁通量变化）的物理机制。通过对感应电动势的计算，推导了麦克斯韦修正的法拉第定律（$
abla imes mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t}$）。本章还讨论了楞次定律（Lenz's Law）在确定感应电流方向中的重要性，并深入探讨了涡流（Eddy Currents）的应用与危害。 第八章：电感与能量 本章讨论了电感元件在线路中的特性。定义了自感（Self-Inductance）和互感（Mutual Inductance），并阐述了它们与电流变化率的关系。计算了螺线管和环形线圈的自感系数。随后，引入磁场能量的概念，并推导出磁场中的能量密度公式。分析了RL电路中电流建立和衰减的过程，并讨论了储能元件电感器的特性。 第九章：麦克斯韦方程组的完备化与电磁波 本章将前述所有规律整合为一个统一的数学框架——麦克斯韦方程组。重点讨论了麦克斯韦对安培定律的修正（引入位移电流 $epsilon_0 frac{partial mathbf{E}}{partial t}$），解决了稳恒电流假设下的矛盾。 完整阐述了无源自由空间中的麦克斯韦方程组（微分和积分形式）。通过结合法拉第定律和修正后的安培定律，推导出均匀平面电磁波的波动方程。详细分析了电磁波的特性，包括波速（光速 $c$ 的导出）、波长、频率，以及$mathbf{E}$场、$mathbf{B}$场和波传播方向之间的相互垂直关系。最后，探讨了电磁波的能流密度（坡印廷矢量 $mathbf{S}$）和能量均分定理。 --- 第四部分：电磁场的高级主题与应用 本部分将理论应用于更复杂的几何结构和瞬态问题，并展望了电磁学的实际工程应用。 第十章：电磁场的边界条件与非均匀介质 本章专注于电磁场在不同介质分界面上的行为。系统地推导了电场强度、电位移矢量、磁感应强度和磁场强度在理想导体、电介质界面上的边界条件。应用这些边界条件来分析波在界面上的反射与折射现象，为后续的传输线理论和光学奠定基础。 第十一章：时变场中的电路理论与能量传输 本章将电磁场理论应用于AC电路分析。引入相量法（Phasor Method），简化对正弦稳态下电路中电压和电流的分析，并定义了阻抗（Impedance）的概念。详细分析了RLC串联和并联电路的谐振现象，计算了电路的品质因数。此外，探讨了电磁场如何描述电磁波在导行结构（如传输线和波导）中的传播模式，这是高频电子学和微波工程的基础。 第十二章：辐射理论简介 作为对电磁场理论的延伸，本章简要介绍了电磁波的产生与辐射。从电偶极子的辐射场模型出发，计算了瞬时变化电荷和电流产生的远场辐射特性，包括辐射功率和天线方向图的基本概念。这部分内容为理解无线通信和遥感技术中的电磁辐射提供了必要的物理背景。 --- 本书的特点在于： 强调物理直觉与数学推导的平衡；大量使用矢量分析工具，如散度、旋度、梯度；通过丰富的工程实例，展现电磁学理论的强大解释力和预测能力。全书配备了大量精心设计的习题，帮助读者巩固对复杂概念的理解。
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