圖解電磁學：從概念到應用，鞏固理工基礎的82堂課

與通訊、醫療、能源等各類領域息息相關
促使現代科技創新的核心學問

電力與磁力自古以來便為人所知，
譬如古希臘人就知道摩擦起電的物體與磁礦石，都有著神奇的吸引力。

在電學方面，富蘭克林認為電流是某種電荷的流動，提出單一流體說，使電磁學有了歷史性的進展。
在磁學方面，吉伯特在實驗中模擬地磁，進而開啟了近代電磁學的研究。
而電磁現象的物理定律，則包括1785年庫侖提出的靜電力定律、
1820年安培提出的電流磁作用定律以及1831法拉第提出的電磁感應定律等。

後來1864年，馬克士威將電磁方程式系統化。
1888年赫茲以實驗生成電磁波，證實相關理論，現在電磁波已是資訊通訊技術的骨幹。

搭配插圖詳細說明基礎知識與運作機制
帶你深入理解大學程度的電磁交互作用基礎知識

全書以圖為主，數學式為輔，說明電磁學中電、磁、電磁波的基礎知識與運作機制。
為了提升讀者的興趣與加深理解，也加入了一些問答與專欄文章。

一開始，會先介紹電學與磁學的歷史發展，以及電磁學的數學基礎。
再來會說明電荷與介電質產生的靜電場，以及電流與磁性體產生的靜磁場。
然後會說明隨時間改變之電場與磁場間的交互作用，即電磁感應，
將其整理成電磁學的基本方程式——馬克士威方程組與電磁波，也會簡單說明相對論性電磁學的發展。

希望本書能成為讓您喜歡上電磁學、物理學，喜歡上這個遼闊的科學界的契機！

本書將以圖為主，數學式為輔，說明電磁學中，電、磁、電磁波的基礎知識與運作機制。為了提升讀者的興趣、加深讀者的理解，書中也加入了一些問答與專欄文章。

一開始，我們會介紹電學與磁學的歷史發展，以及電磁學的數學基礎（第1章）。再來會說明電荷與介電質產生的靜電場（第2～4章），以及電流與磁性體產生的靜磁場（第5～7章）。然後會說明隨時間改變之電場與磁場間的交互作用，即電磁感應（第8～9章），將其整理成電磁學的基本方程式——馬克士威方程組與電磁波（第10～11章），也會簡單說明相對論性電磁學的發展。

本書內容為理工科系大一、大二會學到的知識。但如果您對物理有興趣的話，即使是高中生也能輕鬆閱讀。另外，若商務人士想再試著重學一遍電磁學的話，本書十分適合做為教材。特別是對想參加日本第三種電氣主任技術者考試的考生來說，本書會有很大的幫助。

本書每一節皆由說明文字與說明圖構成，分佔左右兩頁。各章章末有有趣的四選一選擇題，以及描述最新相關消息的專欄文章，以提起讀者的興趣。另外，各章最後都會公布與該章各節內容有關之問題的答案，以提升讀者的理解程度。

如果本書能成為您喜歡上電磁學、物理學，喜歡上這個遼闊的科學界的契機，那就太棒了。

2023年2月
山﨑耕造

前言

〈基礎篇〉
第1章 電磁學的基礎
1-1 電與磁的發現與歷史
1-2 力與場的概念
1-3 純量與向量
1-4 向量場的內積與外積
1-5 場的微分
1-6 場的積分
1-7 基本單位與物理量因次
1-8 基本單位的定義
四選一選擇題／專欄1

〈電荷、靜電場篇〉
第2章 靜電力
2-1 靜電力
2-2 電荷與基本電荷
2-3 靜電感應與靜電屏蔽
2-4 導體與絕緣體
2-5 質量與電荷的守恆
2-6 庫侖定律
2-7 疊加原理
四選一選擇題／專欄2

第3章 電荷與電場
3-1 電力線的定義
3-2 電通量、電通量密度、邊界條件
3-3 電場的定義
3-4 電位的定義
3-5 重力場與電場的比較
3-6 平板與球的電位
3-7 電場的高斯定律（積分形式）
3-8 導體與鏡像法
四選一選擇題／專欄3

第4章 介電質
4-1 介電極化
4-2 電容
4-3 各種電容①
4-4 各種電容②
4-5電容器的並聯與串聯
4-6 靜電能量與電容率
4-7 平行板電極的受力
4-8 介電質電容器
四選一選擇題／專欄4

〈電流、靜磁場篇〉
第5章 直流電路
5-1 電流與電阻
5-2 歐姆定律
5-3 電力與焦耳熱
5-4 電流與水流的迴路比較與阻礙
5-5 電阻合成
5-6 電源電路
5-7 克希荷夫定律
四選一選擇題／專欄5

第6章 電流與磁場
6-1 電流產生的磁場
6-2 安培定律
6-3 對電流施力的磁力
6-4 電場或磁場內的帶電粒子
6-5 導線的形狀與磁場結構
6-6 必歐—沙伐定律
6-7 高斯磁定律
四選一選擇題／專欄6

第7章 磁性體
7-1 磁極化
7-2 比較帶電體與磁性體
7-3 電路與磁路的比較
7-4 從虛擬磁荷詮釋到電流線元素詮釋
7-5 磁矩
7-6 磁石的微觀結構
7-7 磁滯迴線
7-8 順磁性、強磁性、反磁性
四選一選擇題／專欄7

〈變動磁場篇〉
第8章 電磁感應
8-1 冷次定律
8-2 法拉第的實驗
8-3 法拉第的電磁感應定律
8-4 移動導線的感應電動勢
8-5 自感
8-6 互感
8-7 線圈的自感係數與磁能
8-8 弗萊明左手、右手定則與電動機、發電機
四選一選擇題／專欄8

第9章 電路與交流電
9-1 單相交流發電的原理
9-2 三相交流發電
9-3 電流、電壓的有效值
9-4 電感電路
9-5 電容電路
9-6 以複數表示阻抗
9-7 功率因數與有效功率
四選一選擇題／專欄9

〈電磁方程式篇〉
第10章 馬克士威方程組
10-1 引入位移電流
10-2 安培定律的推廣
10-3 積分形式的馬克士威方程組①
10-4 積分形式的馬克士威方程組②
10-5 高斯散度定理
10-6 斯托克斯旋度定理
10-7 微分形式的馬克士威方程組
四選一選擇題／專欄10

第11章 電磁波
11-1 電磁波的波動方程式
11-2 電磁波的生成
11-3 依頻率為電磁波分類
11-4 電磁波的能量
11-5 純量位與向量位
11-6 勞侖茲變換
11-7 相對論性電磁學
四選一選擇題／專欄11

專欄
專欄1 發現神奇的超距作用而獲得諾貝爾獎!?
專欄2 平方反比完全正確嗎!?
專欄3 雷其實是往上打!?
專欄4 電雙層電容器的應用!?
專欄5 從愛迪生燈泡到LED燈泡!?
專欄6 超導磁石活躍於醫療界!?
專欄7 使水分離的摩西效應!?
專欄8 使用最多電力的裝置是電動馬達!?
專欄9 為什麼日本國內東西兩邊的交流電頻率不同!?
專欄10 磁單極存在嗎!?
專欄11 用弦與膜說明重力與電磁力的差異!?