中国稀好农六轻达教材 十二五”国家重点图书出版规划项目 中国科学技术大学 交叉学科基础物理教程 主编侯建国副主编程辐臻 电磁学 叶邦角编著 ▣▣回 中国科学技术大学出版社
序■ 物理学从17世纪牛顿创立经典力学开始兴起，最初被称为自然哲 学，探索的是物质世界普遍而基本的规律，是自然科学的一门基础学科 19世纪未20世纪初，麦克斯韦创立电磁理论·爱因斯坦创立相对论，普 期克，波尔、海森堡等人创立量子力学，物理学取得了一系列重大进展， 在推动其他自然学科发展的同时，也极大地提升了人类利用自然的能 力。今天，物理学作为自然科学的基础学科之一，仍然在众多科学与工 程领域的突破中，在交又学科的前沿研究中发挥着重要的作用。 大学的物理课程不仅仅是物理知识的学习与掌握，更是提升学生科 学素养的一种基础圳练，有助于培养学生的逻辑思维和分析与解决问题 的能力，而且这种思维和能力的训练，对学生一生的影响也是潜移默化 的。中国科学技术大学始终坚持“基础宽厚实，专业精新活”的教育传统 和培养特色，一直以来都把物理和数学作为最重要的通识课程。非物理 专业的本科生在一二年级也要学习基础物理课程，注重在这种数理训练 过程中培养学生的逻辑思维，批判意识与科学精神，这也是我校通识教 育的主要内容 结合我校的教育教学改革实践，我们组织编写了这套“中国科学技 术大学交又学科基础物理教程”丛书，将其定位为非物理专业的本科生
电磁学 DIANCIXUE 物理教学用书，力求基本理论严谨、语言生动浅显，使老师好教、学生好 学。丛书的特点有：从学生见到的问题人手，引导出科学的思堆和实验， 再获得基本的规律，重在启发学生的兴规：注意各块知识的纵向贯通和 各门课程的横向联系，避免重复和建漏，同时与前沿研宽相结合，显示学 科的发展和开放性：注重培养学生提出新问题，建立横型、解决问题、作 合理近似的能力：尽量作好数学与物建的配合，物理上必需的数学内图 而数学书上难以安排的部分，则在物理书中子以考虑安排等 这套丛书的编者队伍汇集了中国科学我术大学一批老、中、青骨干 教师，其中既有经验丰富的国家教学名师，也有年富力强的教学骨干，西 山门·有活跃在教学一线的青年教师，他们把自己对物理载学的热爱、感悟和 心得都融入教材的字里行间。这套丛书从2010年9月立项启动，期间经 过编委会多次研讨，广泛征求意见和反复修改完首。在丛书陆续出版之 际，我谨向所有参与教材研讨和编写的同志，向所有关感和支持教材编 写工作的朋友表示衷心的感调 教材是学校实残教有理念，达到教学培养目标的基础，好的教材是 保证教学质量的第一环节，我们表心地希望，这套倾注了端者们的心血 和汗水的数材，能得到广大师生的喜爱，并让更多的学生受益 2014年1月于中国料学技术大学
前言■ 电磁学是一门实验科学，电磁学的规律经过人类几百年的实验研 究，才亚渐地形成了一个系统的科学规律体系。电磁学又是一门应用十 分广泛的科学，科学研究各个领域都或多或少地要用到电磁学基本理 论。很多在科研上有成就的人回顾大学普通物理，普遍认为电磁学是 门最接近科学研究和实际应用的课程，很多一线的科技工作者最常用到 的仍是电磁学中的基本原理，目前高等学校理工科涉及物理学与其他 学科交又的院系的普通物理的教学中，电磁学仍是基本的主干课程，尽 管授课内容和学时已经压缩了不少，但是作为交义科学领城的本科生， 通常会出现两种情况：一是不知道为什么要学可电磁学，也就是不知道 学了有什么用：二是电磁学的内容要学多少才合适。编写本书的目的就 是希望能解决这两个问题。 目前国内外电磁学教材主要有两种类型：第一种主要适用干大学物 理院系的本科生·强调电磁学基本规律的发现和电磁理论体系的建立： 第二种主要适用于非物理院系的理工科本科生，注重电磁现象的简单规 律和少量应用。作为交义科学领域的电磁学教材，本教材编写的主要宗 旨是，既要保持电磁学基本规律的完整性，同时又尽量结合实际应用 本教材的编写原则是：第一要体现交又，即要把各个学科涉及的电磁现
电磁学 DIANCIXUE i 象和应用在本书中体现出来；第二需要把电磁学基本规律的发现和电调 学理论体系的形成过程尽量做详细介绍，图为这是一个人类发现自然科 学规律的妙槌横生和通动人心的历程：第三尽可能把电磁学中的各个物 理概念讲清楚，避免椒念学可的“来生饭”、似是而非：第四是把最基本 最前沿、最有用的东西交待给争生，即要充分考虑到学生学的内客是持 来可能有用的：第五是尽最把“场”的修会其年在全书中，因为那代物理 学中“场”的概念就是从电滋学开始的。在物理内容的逃择上，作者主男 选择电磁学的最基本规律和最基木应用，同时也在教杆中出现一坐较新 的和现在还在探素的问题，主要是为了竖小电减学知识的系统性并体现 电磁学的发展。本教材是一本介干物理类本科生和非物理类本科生之 间的教材，物理类和非物理类本科生都可以造择其作为教材和参考书 教学过程中可以根据授课对象而选择相关的肉容，有些章节可以让学生 自己阅读。 本书共分为8章。第1章主要介绍电力和电场的基本概念：主要尔 绍库仑定律、电场强度和高斯定理，电场中的导休作为静电场的一个应 用内容安排在本章，第2章是电势和电博能量：把电势椰念放在这一章 的主要原因，是电势概念的引进是通过做功和比费能关系，与力学中引 进重力势能类似：电容器作为储存电场能量的器件也放在这一章中，而 电介质是作为电容器内部的外质而引出低念，同时妖化过程也是与电场 但互作用的过程，体瑰的也是能量的低念作力应用，本章还介划了介观 体系的电学特性及生物和医学中的电现象。第3草主要是电流与电路 从前面的静止电荷到本靠的运动电荷，逐渐形成电流的概念以及电路的 基本方程：除甚尔金夫定伴外，本章还介短了直流电路的号外一些基本 规律：作为应用，本華还个绍了地球的电环境够4章主要介绍磁力与地 场，从人类对磁现象的认识到磁学基本规律逐渐发现，一直到磁场概念 的引进：由于磁现象的特殊性，磁柳的高斯定理和安培环路定律都在本 章描述，这可以加深学生对运动电荷形成电流、电流形成磁场的理解：本 章对带电粒于在磁场中的运动介绍较为详细，此外还专门介绍了天体的 磁场与强磁场。第5章主要介绍材料的磁性和磁性村料：本章主要描述 材料在磁场中磁化的基本规律，同时介绍了目前最常见的几种磁性村 料，对磁场的测量本章也做了较为详细的介绍。第6章主要介绍电磁感
b 应和磁场能量：从法拉第电磁感应现象的发现到感应线国，再从感应线 园引出互感与自感概念，再从储能的角度来讨论磁场的能量。第7章主 要介绍交流电和电力输造：重点介绍交流电路的复数解法，也介绍交流 和直流两种输电方式。第8章是对整个电磁学理论体系的总结和提高： 从静态的电场和磁场到随时间变化的电场和磁场，再到麦克斯韦方程 组：油松方程和拉普拉撕方程在这章做筒单介绍，同时也介绍解静电场 的一种特殊方法一电像法；本章还从麦克斯韦方程组出发导出电磁波 方程以及电磁学基本规律：对电路中能量的传输过程描述较为详细 本书的编写是对基础物理课程教学的一种探索。尽管内容在难度 上要稍微低于物理类电磁学数村·但是其对概念的描述和对电磁现象规 傅的描述更加详细，更注重交叉和应用：在习题选择上也保持数量不多 的特点，但是尽量采用以实际应用为背景的习题，以及将研究中遇到的 问题做习题，难度适中：本书也有收集少量的较难题目供教学中使用。 本书是基干作者在十几年的教学过程中逐渐产生的一种想法而形 成的一本教材，在编写过程中得到了中国科学技术大学电磁学教学组各 位前辈和老师的帮助和指导，在这里表示感谢。本书能编辑出版，特别 要感谢清华大学安宇教授、中山大学黄道本教授和中国科学技术大学胡 友秋教授在评审本书过程中所做的细致的修改工作，并提出了宝贵的修 改意见和建议。此外，还要感谢中国科学技术大学2012级物理学院，严 济德班，少年班学院和核科学技术学院的本科生在本教材使用过程中提 出的建议和意见。感谢物理学院013级本科生对本书习题解答做出的 贡献 由于编者水平有限，本书如有错误，敬请读者提出批评和建议。 叶邦角 2013年5月24日
目 次 序 前 言 绪论电磁科学的发展以及在近代科学技术中的应用.(1 0.1电磁科学体系的建立与“场”理论的诞生.(2) 0.2电磁科学与电气化.(4) 0.3电科学与通讯.(6) 0.4电磁科学与现代科学与技术 第I章电力与电场. .(15 】,】电力起源.(16 1.1,1电现象研究简史.（16 1,1,2摩擦起电.(17》 1.1.3物质结构和电荷.(18) 1.1.4电荷守恒定律 .(20) 1,2材料的电性质.(23) 1.21物质导电性能.(23) 1.2.2接触带电和感应带电.(27) 1.3库伦定律.(28) 1.3.1库仑定律 ,(28) 1,3.2叠加原理 .(32)） 1.4电场强度 .(33)
viii l.4.1电扬(3 1.5高斯定理4(39 1.5.1电场线与电通是r4 (39 1.5.2高定理.6.40 1.6静电场中的导体 (7 1.6.1静电平衡 1.6.2静电屏蔽 ,51 1.6.3静电的应用和测量 (52) 第2章电势与电场能量 (59 2.】电势能ow (60 2.1.1静电场做功. 160 2.1,2静电场的环路定理 (60 2.1.3电势能 (61 2.2电势与电势差 (62 2.2.1电势与电势是 (62 2.2,2等势面 (65 2.2.3带电粒子在电场中岳 (71 2.3电容与电容器 (77 2.3.1导体的电浮 (77 2.3.2电客器的联结 (82 2.3.3超级电穿器.- (85 2.4介质材料的电学特性.(87 2.4.1电介质林 2.4.2电介所的板化 .(88 2.4.3电介所的基本地学特性 044(95 2.4.4低介电常数与商升电常数料.(98 2.4.5铁电体介质和压电效应 .(102 2.5静电场的能量.4.(10叫 2.5.1点电荷系统的静电相互作用能.(104 25.2带电体的静电能. (106 2.5.3电容器的估能.(109】
目录 2.5.4电场的能量 2.6介观体系的电学特性. (112 2.6.1量子化电导（量子点接轴）.(112) 2.6,2库仑阻塞和单电子链字.(113 2.6.3单电子存能器.(115 2,7生物和医学中的电现象 4.(117） 2.7,1细胞的生物电现象 (117） 27.2心电因原理 .(120 第3章电流与电路 .(123 3.】电流与电流密度. .(124 3.1.】电流的形成(124 3.1.2电流强度与电流密度 (126) 3.1.3电流连续性方程. .(128 3.1.小恒条件.（们29） 3.2欧姆定律.(129) 3.2.1欧得与欧姆定律 (129) 3,2.2电流的功和功率. (134) 3,2.3不同导体分界面电流的关系.(135) 3.2,4金属导电的德鲁特模型.(136) 32.5半导体的导电机制 .(138） 3.2.6导电介质. .(141) 3.2.7吹姆定律的失效问题.（们5】 3.3电源及电动势 .(146 3.3.1电源与电动势.(146》 3.3.2常见的几种稳恒电源 .(们47 3.3.3全电路欧姆定律.(153) 3.4直流电路的基本规律.(155】 3.4.1基尔霍夫定律.(155) 3.4.2叠加原理.（们60 3.4.3电容的充电和放电 .(161) 3.5电压源和电流源 .(162) 3.5.1电压源 .(162)
电笔E口 3.5.2电流源 (161 3.5,3戴维宁定理和诺顿定理 (166 3.5.4电压源与电流源的等效发焕 w(167 3.5.5安全用电44 1168 3.6地球的电环境wno4mwc70 3.6.1大气电场和电流 (170 3.6,2雷电形成机制与雷电的控制 (173 第4章磁力与磁场. (179 4.1磁现象与磁力. (180 4.1.1磁现象研究历史和磁性的起源 (180 4.1.2安培定律. (186 4.2电流的磁场. (188 4.2.1被感应强度 (188 4.2.2通电导线在猫扬中所受的力与力短. (196 4.3静磁场的基本定理. (197 4.3,1磁感应线与磁通量 (197 4.3.2磁场高斯定理 (198 4,3,3安培环路定理 (201 4.4带电粒子在磁场中的运动 (206 4.4.1带电粒子在场句遥场中的运动 (206 一4.4.2带电粒子在非均匀通场中的运动 (210 4.5霍尔效应 (223 4.5.1霍尔拉 .(223 4.5.2量子霍尔效应. nn4.(225 4.5.3电阻单位欧姆和精细结枸常数的标准.(226 4.6天体的场和强场产生 44444(228 4.6.1天体的磁场 .(228) 4.6.2强磁场的产生 4.(234） 第5章物质中的磁场与磁性材料. (237 5.1磁介质及其破化.(238) 5.1.1磁化强度 4(238