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第一章 电磁学基本实验定律的建立 1

1.概述 1

2.Coulomb定律 5

一、Coulomb电斥力扭秤实验和电引力单摆实验 5

二、Cavendish精确验证电力平方反比律的示零实验 10

三、Maxwell精确验证电力平方反比律的理论和示零实验 14

四、近代的结果：δ＜10-16，电力平方反比律是最精确的物理定律之一 22

五、Coulomb定律的三个主要内容及其由来 24

六、电荷与质量的比较 25

七、Coulomb定律的成立条件，适用范围及理论地位 28

3.Oersted实验，Biot-Savart-Laplace定律和Ampere定律 33

一、Oersted实验的重大发现 33

二、弯折载流导线对磁极作用力的实验，Biot-Savart-Laplace定律的建立 36

三、Ampere的四个示零实验，原始的Ampere公式和Ampere定律的现代形式 41

4.Ohm定律 55

5.Faraday电磁感应定律 60

一、电磁感应现象的发现 60

二、Faraday对电磁感应的研究 65

三、Neumann和Weber先后给出电磁感应定律的定量表达式 68

四、Maxwell提出涡旋电场概念来解释感生电动势 71

参考文献 73

第二章 Maxwell电磁场理论的建立 75

1.概述 75

2.超距作用和近距作用观点的早期论争 79

3.静电学的势理论，Gauss定理和Stokes定理 81

4.Neumann和Weber的超距作用电磁理论 83

一、Neumann给出电磁感应定律的定量表达式 84

二、Weber的超距作用电磁理论 87

附录A 原始Ampere公式的两种等价形式 92

附录B 由原始Ampere公式导出运动带电粒子之间的Weber力公式 93

附录C 由Weber力公式导出Neumann的两载流线圈相互作用能公式 96

附录D 由运动带电粒子之间的Weber力公式导出感应电动势公式 97

5.Faraday的学术成就和物理思想 99

一、生平 99

二、学术成就 101

三、Faraday的物理思想 106

6.Thomson的类比研究 111

7.Maxwell的《论Faraday力线》（1855—1856） 112

一、《论Faraday力线》的纲目与要点 113

二、前言——研究对象：力线，研究方法：类比 115

三、力线与流线的类比，两类矢量 116

四、电紧张状态的数学表述，涡旋电场 119

五、六条定律 123

8.Maxwell的《论物理力线》（1861—1862） 125

一、概述 125

二、《论物理力线》的纲目 127

三、分子涡旋（磁以太）和粒子（电以太），电磁作用的力学模型 128

四、位移电流 132

五、电磁波 135

9.Maxwell的《电磁场的动力学理论》（1865） 139

一、《电磁场的动力学理论》的纲目 139

二、《电磁场的动力学理论》的引言 141

三、电磁动量 144

四、电磁场理论的完备方程组——Maxwell方程组 146

五、光的电磁理论 153

六、Maxwell电磁场理论的历史意义 155

七、启迪 156

10.建立Maxwell方程组的其他途径 160

一、根据能量原理和近距作用原理建立Maxwell方程组 161

二、根据Coulomb定律和Lorentz变换建立Maxwell方程组 165

三、根据变分原理建立Maxwell方程组 170

11.Maxwell传略 171

一、生平 171

二、创建电磁场理论和光的电磁理论 175

三、奠定气体分子运动论和统计物理的理论基础 176

四、其他贡献 182

五、筹建Cavendish实验室，整理Cavendish遗稿 185

参考文献 187

第三章 Lorentz电子论 188

1.两种观点，两个学派 188

2.Maxwell电磁理论的局限和不足 193

3.Lorentz电子论的萌芽 195

一、以太作用与物质作用的分离 195

二、把分子论引入电磁学 198

4.Lorentz电子论的创立 204

一、从微观方程到宏观方程 204

二、运动媒质中的光速 211

5.Lorentz的“本地时间”和对应态原理 214

6.长度收缩假设 218

7.光行差现象和Doppler效应 222

8.Poincare的批评及Lorentz变换的最后形式 225

附录A 232

附录B 233

附录C 237

附录D 240

参考文献 242

第四章 物质的电磁性质 243

1.物质的磁性 244

一、简短的历史回顾 244

二、Faraday和Weber等对抗磁性的研究 245

三、Curie定律 249

四、Langevin的抗磁性经典理论 250

五、Langevin的顺磁性经典理论 253

六、Weiss的铁磁性唯象理论 255

2.电介质的极化及相关性质 259

一、恒定电场引起的极化 259

二、交变电场引起的极化 262

三、电介质的特殊效应 267

3.金属电子论 268

一、简短的历史回顾 268

二、Drude的自由电子模型 269

三、Lorentz的理论 275

四、金属的复折射率，吸收和趋肤效应 276

五、金属电导率与频率的依赖关系 280

附录 辐射阻尼力 282

参考文献 284

4.超导体 284

一、零电阻现象 284

二、Meissner效应 286

三、磁通量子化和Josephson效应 289

四、二流体模型和London方程 290

五、BCS理论简介 296

六、高TC超导材料 299

七、超导体的应用 302

附录 超流动性 303

参考文献 306

第五章 光和电磁作用 307

1.磁致旋光效应 308

一、晶体的自然旋光性 308

二、Faraday磁致旋光效应 310

三、Maxwell的磁致旋光理论 311

四、Rowland的磁致旋光理论 320

五、磁致旋光效应的应用 323

2.Zeeman效应 325

一、Zeeman效应 325

二、Lorentz对Zeeman效应的理论解释 327

三、Larmor对Zeeman效应的理论解释 329

3.其他磁光效应 335

一、Kerr磁光效应 335

二、Voigt效应（磁致双折射效应） 335

三、Cotton-Mouton效应（磁致双折射效应） 336

4.电光效应 336

一、Kerr效应（二级电光效应） 336

二、Pockels效应（一级电光效应） 340

三、Stark效应 342

附录A 流体旋涡运动的角速度 343

附录B 用经典理论说明带电粒子在磁场作用下圆轨道半径保持不变 345

参考文献 347

第六章 带电粒子在电磁场中的运动 349

1.带电粒子在均匀、恒定磁场中的运动 350

2.带电粒子在均匀、恒定电磁场中的运动，电漂移 352

3.带电粒子在弱非均匀、恒定磁场中的运动，横向梯度漂移和曲率漂移 357

4.浸渐不变量——磁矩μ 365

5.磁镜效应，等离子体的磁约束，Van Allen带 369

参考文献 372

第七章 磁流体力学 373

1.何谓等离子体 374

2.等离子体的主要特征量：等离子体振荡频率ωp和Debye长度λD 376

一、等离子体粒子密度 376

二、等离子体温度 376

三、等离子体振荡频率 378

四、Debye长度 379

3.等离子体物理的研究方法 381

4.磁流体力学方程 383

一、流体力学方程 383

二、电磁场方程 385

三、各种形式的磁流体力学方程组 386

5.磁冻结和磁扩散效应 388

一、磁流体中，磁场的动力学方程 388

二、磁冻结效应 389

三、磁扩散效应 390

四、磁Reynolds（雷诺）数Rm 390

6.磁流体静力学——等离子体在磁场中的平衡 391

一、磁流体静力学方程，磁应力 391

二、线箍缩（z-pinch）和角箍缩（θ-pinch） 393

三、磁力线的转动变换，托卡马克装置 395

7.磁流体力学不稳定性 397

一、腊肠不稳定性 398

二、弯曲不稳定性 398

三、螺旋不稳定性 399

四、槽纹不稳定性 400

8.磁流体力学波 401

一、无磁场时的等离子体波 401

二、Alfven（阿尔文）波 402

参考文献 403

第八章 电磁学的一些重要实验 404

1.概述 404

2.Arago圆盘实验 407

3.Hertz电磁波实验——Maxwell电磁场理论和光的电磁理论的实验验证 409

一、Hertz振子和谐振器，首次实验证实存在电磁波 410

二、电磁波性质的实验研究 415

4.Fresnel曳引系数和Fizeau实验 418

一、Fresnel的以太理论和曳引系数 418

二、Fizeau实验 420

5.Michelson-Morley实验 422

6.Trouton-Noble实验 427

7.J.J.Thomson阴极射线实验——e/me的测定，电子的发现 433

一、Faraday电解定律的启示，“电子”一词的提出 435

二、J.J.Thomson的阴极射线实验——荷质比e/me的测定，电子的发现 436

8.Kaufmann的β射线实验——电子质量me随速度的变化 440

9.Millikan油滴实验——电子电量e的测定 444

参考文献 450

第九章 相对论电磁场 451

1.狭义相对论的基础与Einstein时空观 451

一、经典理论的危机 451

二、狭义相对论基本原理的提出 453

三、Einstein时空观 454

2.相对论的时空变换与电磁场方程的协变性 460

一、相对论的时空变换及其推论 460

二、电磁场的相对论变换 468

三、相对论物质方程 476

3.运动介质中的电磁波 478

一、静止介质中的电磁波 479

二、运动介质中的电磁波 483

三、运动介质的色散性质 498

4.运动介质界面上电磁波的反射与折射 499

一、边界条件 500

二、反射定律和折射定律 504

三、Fresnel公式 512

参考文献 516

第十章 电磁学若干基本问题的近代研究 518

1.经典电磁理论的困难 518

一、电子质量发散的困难和电子运动“自行加速”的困难 518

二、黑体辐射与氢原子光谱 523

三、光电效应与Compton效应 528

2.电子运动的量子力学理论 531

一、电子运动的Schr？dinger方程，Zeeman效应与电子自旋，固体能带结构，量子Hall效应 531

二、电子运动的Dirac方程，正电子 548

3.量子电动力学以及相互作用的统一 554

一、量子电动力学 554

二、电磁场的规范不变性，光子静止质量，A-B效应 560

三、相互作用的统一，规范场理论，电弱统一，磁单极 571

参考文献 581

第十一章 电磁学教学中的一些疑难问题 582

1.迎接挑战——关于电磁场的教学 582

一、研究对象的重大变化，必将引起一系列随之而来的深刻变化 582

二、场是在一定空间范围内连续分布的客体，认识它要从场的空间分布入手，从整体上去把握它 583

三、矢量场整体分布特征的特殊描述方式——源与旋，通量与环量（环流），Gauss定理与环路（环量）定理 584

四、从静止、恒定到运动、变化，从孤立研究到寻找联系，从局部规律到统一理论 589

五、电磁场究竟是客观存在的特殊形式的物质，还仅仅是一种描绘手段？ 590

六、电磁场与实物的相互作用，实物的电磁性质 590

参考文献 591

2.静电场电势零点的选择 591

一、静电场电势零点选择的任意性 592

二、为什么选择无穷远点为电势零点（U∞＝0）？ 593

三、为什么选择U地＝0，它和U∞＝0是否相容？ 595

四、零点不同的电势如何叠加？ 597

参考文献 601

3.静电平衡条件下导体的面电荷分布 601

一、势函数φ可以严格求解的特殊例子 602

二、个别导体面电荷密度与表面曲率的关系 606

三、导体面电荷密度与表面曲率之间并不存在单一对应关系 608

附录 曲线坐标系 613

参考文献 616

4.稳态电磁场的动量和角动量 617

一、两个佯谬 617

二、稳态电磁场的动量和角动量 620

三、Feynman圆盘实验的解释 624

附录 圆电流环的势矢分布 628

参考文献 629

5.载流直螺线管的磁场 630

一、密绕无穷长螺线管的磁场 630

二、非密绕螺线管的磁场 634

参考文献 644

6.感应电动势的两种表示法 644

一、两种表示法的一致性 646

二、通量法则的例外情形 648

三、确立“回路构成法”以消除矛盾 650

四、进一步的思考 651

参考文献 653

7.关于在教学中建立宏观Maxwell方程组和描述介质中电磁场的若干讨论 653

一、各种电场、磁场性质的比较，宏观Maxwell方程组的建立 654

二、电荷的划分，电流的划分，感应、极化、磁化 661

三、场源分解方式的多种可能，非静场情形P、M、D、H的定义与物理意义，宏观Maxwell方程的再建立 662

四、高频情形线性介质方程的各种形式 666

参考文献 674

人名索引 675