电磁学

电磁学是基础物理学的重要分支，也是大学普通物理学课程的重要组成部分。历史上，人们通过实验的手段逐渐加深了对电磁现象的理解，不但建立了电磁场理论，也开启了对物质微观电结构的探索和认识，而前者促使爱因斯坦发现狭义相对论，后者导致了量子力学的建立。因此，电磁学的发展对从牛顿力学到现代物理理论的建立起着重要的承上启下的作用。同时，电磁学理论的发展催生了电子学、电工学等实用学科，而且电磁学理论在现代通信技术、计算科学、信息技术等领域中均有重要的应用。本书作为大学物理专业“电磁学”课程的教材，力图做到如下两点：(1)交代清楚电磁学规律建立的历史脉络;(2)建立电磁场理论的基本框架，使读者能够熟悉场论分析的基本图像和基本数学工具。

首先，电磁学理论的建立并不是一帆风顺的。牛顿力学的建立以及莱顿瓶的发明促进了十八世纪后半段人们对静电现象的定量研究以及库仑定律的建立，而伏打电堆的发明使人们获得了持续的电流，这样才使得坚信电可以生磁的奥斯特在1820年发现了小磁针在电流作用下发生偏转。奥斯特之前，几乎所有的物理学家都认为电和磁之间没有什么本质上的联系，而奥斯特的小磁针实验彻底改变了当时的观念，具有划时代的意义。法拉第评价说：“他突然打开了科学中一个一直是黑暗的领域的大门，使其充满光明。”奥斯特之后，电流激发磁场的定量规律(毕奥{萨伐尔定律)很快便得以建立。同时，安培提出了分子环流假说，认为磁铁的磁场也是电流激发的，这被称为“磁现象的电本质”。这样，电磁现象无非就是(运动或静止的)电荷之间相互作用引发的现象，这为后面电磁场的引入打下了基础。“电生磁”的发现促使人们去寻找“磁生电”——电磁感应。法拉第最终在1831年发现了电磁感应现象，并试图用场的变化及传播来理解电磁感应，这是人类第一次在物理理论中引入场(法拉第将场称为“力线”)。麦克斯韦将法拉第的思想翻译成数学。作为电磁场理论的集大成者，在引入了位移电流之后，麦克斯韦写下了著名的麦克斯韦方程组，并且预言了电磁波的存在，这样便实现了电和磁及光的统一理论。此后，洛伦兹在十九世纪九十年代创立了经典电子论。他认为宏观带电现象来自物质的微观电结构，并写下了著名的洛伦兹力公式。1897年，汤姆孙发现了电子，正式开启了亚原子物理的新时代。从如上的电磁学发展简史可以看出，电磁学理论的创立过程本身就是人类科技史中的绚丽篇章，这期间的成功与失败对于现今时代的我们，仍然有着重要的参考价值。

其次，电磁学是大学普通物理中第一门系统介绍场论的课程。当然，作为普通物理课程，电磁学力求基于实验规律总结出麦克斯韦方程组。例如，在静电学中，可以由库仑定律和叠加原理总结出静电场的麦克斯韦方程组||静电场高斯定理及环路定理。而另一方面，库仑定律和叠加原理也可以作为静电场麦克斯韦方程组的解。比如，静电场叠加原理可以看作麦克斯韦方程组对源的线性依赖的直接推论。为了能够形成对场论的基本认识，本书加深了对场方程的讨论，也引入了相应的唯一性定理，这样可以丰富普通物理电磁学课程的可解模型，如均匀极化介质球等，同时也为磁介质理论中等效磁荷的处理方法做了背书。对于作为数学手段的矢量分析公式，在本课程进行的同时，同学们在相应的高等数学课程上也开始有所接触。我们的教学经验表明，只要在物理图像上介绍清楚，同学们对这些数学手段的掌握并不是十分困难的。

国内外有很多优秀的电磁学教材，我们在教学和编写本书时都加以虚心借鉴。编写本书的目的，一方面是对我们多年来的电磁学教学加以总结，另一方面是为了适应新时代国家重视基础科学人才培养的大政方针。期望本书能为同学们学习电磁学课程以及后续课程带来便利。本书的错漏之处，也敬请读者批评指正。

本书有幸被选为“101计划”核心教材，在此对“101计划”的“电磁学”课程组牵头专家，清华大学安宇教授，审稿专家中国科学技术大学叶邦角教授、南京大学吴小山教授、北京师范大学李晓文副教授表示感谢。他们审读了全书，提出了很多宝贵的意见。

在电磁学教学和编写本书的过程中，我们得到了北京大学电磁学课程组前辈和同事们的指导和帮助，深表感谢，同时也感谢北京大学出版社的同事们为本书的出版所做出的努力和辛勤的工作。