Foundations of Classical Electrodynamics

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出版者:Birkhäuser
作者:Friedrich W. Hehl
出品人:
页数:410
译者:
出版时间:2003-8
价格:$ 111.87
装帧:HRD
isbn号码:9780817642228
丛书系列:
图书标签:
  • 电动力学
  • 经典电动力学
  • 电磁学
  • 物理学
  • 高等教育
  • 研究生
  • 本科生
  • 麦克斯韦方程组
  • 电磁场理论
  • 物理教材
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具体描述

This book presents a fresh, original exposition of the foundations of classical electrodynamics in the tradition of the so-called metric-free approach. The fundamental structure of classical electrodynamics is described in the form of six axioms: (1) electric charge conservation, (2) existence of the Lorentz force, (3) magnetic flux conservation, (4) localization of electromagnetic energy-momentum, (5) existence of an electromagnetic spacetime relation, and (6) splitting of the electric current into material and external pieces.

The first four axioms require an arbitrary 4-dimensional differentiable manifold. The fifth axiom characterizes spacetime as the environment in which the electromagnetic field propagates — a research topic of considerable interest — and in which the metric tensor of spacetime makes its appearance, thus coupling electromagnetism and gravitation. Repeated emphasis is placed on interweaving the mathematical definitions of physical notions and the actual physical measurement procedures.

The tool for formulating the theory is the calculus of exterior differential forms, which is explained in sufficient detail, along with the corresponding computer algebra programs. Prerequisites for the reader include a knowledge of elementary electrodynamics (with Maxwell's equations), linear algebra and elementary vector analysis; some knowledge of differential geometry would help. Foundations of Classical Electrodynamics unfolds systematically at a level suitable for graduate students and researchers in mathematics, physics, and electrical engineering.

现代电磁学理论基础:从麦克斯韦方程组到量子电动力学的跨越 本书旨在为读者提供一个全面、深入的现代电磁学理论框架。我们聚焦于麦克斯韦方程组的精妙之处,并将其作为理解电磁现象的基石,同时辅以现代物理学的前沿视角,探讨经典理论的局限性以及通向量子电动力学的桥梁。 第一部分:经典电磁学的核心与扩展 第一章:电荷、场与势的再审视 本章从电荷的本质和电磁场的定义出发,详细阐述了静电学和静磁学在真空及介质中的基本规律。我们将超越初级教材中对库仑定律和毕奥-萨伐尔定律的简单介绍,深入探讨矢量分析在电磁场描述中的应用,特别是散度和旋度在电场和磁场中的物理意义。电位和磁矢势的引入,不仅简化了求解过程,更揭示了电磁场在时空中的内在联系。我们将仔细分析边界条件的重要性,这些条件是连接不同介质中场行为的关键。 第二章:麦克斯韦方程组的统一威力 麦克斯韦方程组被公认为经典物理学的巅峰之作。本章将围绕这四个方程展开,强调位移电流的革命性意义,它如何将静电学和静磁学统一为完整的电磁理论。我们将详细推导并分析平面电磁波在理想导体、介质和真空中的传播特性,包括波的反射、折射和偏振现象。特别地,我们会深入探讨坡印廷矢量,阐释能量流动的方向与大小,这对于理解电磁辐射至关重要。 第三章:波的辐射与散射 本部分将从动态视角审视电磁场。我们关注电荷和电流的加速运动如何产生电磁波。通过考察振荡电偶极子和磁偶极子的辐射场,读者将建立起对天线辐射模式的直观理解。随后,我们将引入散射理论的基础,从瑞利散射到更复杂的米氏散射,解释光与物质相互作用的基本机制,这些在遥感和大气光学中具有实际应用价值。 第四章:电磁场的边界值问题与求解技巧 解决实际电磁问题往往需要高超的数学技巧。本章将系统介绍求解特定几何构型下电磁场问题的各种方法。拉普拉斯方程和泊松方程在静电学中的应用将得到细致探讨,包括分离变量法在直角坐标系、柱坐标系和球坐标系中的应用。此外,我们将引入格林函数方法,它作为一种通用的算符反演工具,在处理特定边界条件下的非齐次方程时显示出巨大的威力。本章还包括对场论中能量守恒和动量守恒的严格推导。 第二部分:狭义相对论与电磁学的融合 第五章:洛伦兹变换与四维时空 电磁学理论在狭义相对论建立过程中扮演了核心角色。本章将详细剖析洛伦兹变换的几何意义,并将其推广到四维闵可夫斯基时空。我们重点展示如何将电场和磁场视为四维张量——电磁场张量 $F^{mu u}$ 的不同分量。这种张量表示法不仅优雅地解释了电场和磁场在不同惯性系之间的相互转化,也从根本上证明了麦克斯韦方程组的洛伦兹协变性。 第六章:相对论性源与场 在相对论的框架下,运动的电荷产生电磁场的方式与静止时截然不同。本章将利用四维电流密度 $oldsymbol{J}^{mu}$ 来描述运动电荷,并推导相对论性电磁波的性质。我们会探讨相对论性效应如何影响辐射场,例如多普勒效应的相对论形式,以及高能带电粒子在磁场中运动时产生的切伦科夫辐射的物理图像。 第三部分:电磁场理论的深入与延伸 第七章:介质中的电磁场与物质响应 本章超越了各向同性、线性的理想介质模型。我们将探讨电磁场在各向异性晶体、磁性材料(如铁磁体和反铁磁体)中的行为。线性响应理论将被引入,以描述物质极化和磁化过程的频率依赖性。电磁波在复杂介质(如等离子体或离子晶格)中的色散关系和吸收机制将得到深入分析,这对于等离子体物理和材料科学至关重要。 第八章:电磁场的正则化与量子化初步 经典电磁学在描述光与物质的微观相互作用时,如黑体辐射和光电效应,暴露了其局限性。本章将作为连接经典与量子的桥梁。我们将从哈密顿力学的角度对电磁场进行正则化处理,引入规范自由度和规范选择(如库仑规范和洛伦兹规范)。随后,我们将概述通过对场量子化来解释光子概念的必要性,为读者进入量子电动力学的学习打下坚实的理论基础,但本书的重点仍保留在经典场论的严谨性与完备性上。 本书的叙事结构旨在培养读者对电磁学深刻的物理直觉和强大的数学建模能力,确保读者不仅理解“如何计算”,更理解“为何如此”,从而为深入研究更前沿的物理学领域做好充分准备。

作者简介

目录信息

Preface
* Introduction
* Part A--Mathematics: Some Exterior Calculus
* Why Exterior Differential Forms?
* A.1. Algebra * A.2. Exterior Calculus
* A.3. Integration on a Manifold
* Part B--Axioms of Classical Electrodynamics
* B.1. Electric Charge Conservation
* B.2. Lorentz Force Density
* B.3. Magnetic Flux Conservation
* B.4. Basic Classical Electrodynamics Summarized, Example
* B.5. Electromagnetic Energy-Momentum Current and Action
* Part C--More Mathematics
* C.1. Linear Connection
* C.2. Metric
* Part D--The Maxwell--Lorentz Spacetime Relation
* D.1. A Linear Relation Between H and F
* D.2. Propagation of Electromagnetic Waves: Quartic Wave Surface
* D.3. First Constraint: Electric/Magnetic Reciprocity
* D.4. Second Constraint: Vanishing Skewon Field and Light Cone
* D.5. Extracting the Metric by an Alternative Method
* D.6. Fifth Axiom: Maxwell--Lorentz Spacetime Relation
* Part E--Electrodynamic in Vacuum and in Matter
* E.1. Standard Maxwell--Lorentz Theory in a Vacuum
* E.2. Electrodynamic Spacetime Relations Beyond Locality and Linearity
* E.3. Electrodynamics in Matter, Constitutive Law
* Electrodynamics of Moving Continua
* Outlook
* References
* Author Index
* Subject Index
· · · · · · (收起)

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