电磁

定义

电磁指电与磁两类现象及其相互作用的总体，对应的学科是电磁学，英文为 electromagnetism。电磁学属于物理学的一个分支，研究电磁力这一带电粒子之间的相互作用^[1]。广义上它包括电学与磁学，狭义上专指探讨电与磁彼此关系的学问^[2]。

电磁力通常以电磁场的形式表现出来，电场、磁场和光都属于这类场，它是自然界 4 种基本相互作用之一，另外 3 种是强相互作用、弱相互作用和引力^[1]。电场与磁场随时间变化或随观察坐标变化时会互相作用，关系紧密而不可分割，合称电磁场，其关系由麦克斯韦方程组描述^[3]。

英文词 electromagnetism 由希腊语中表示琥珀的词与表示磁石的词组合而成，前者对应摩擦起电的琥珀，后者源自一种铁矿石的名称^[1]。

原理

经典电磁学的基础是一组偏微分方程，即麦克斯韦方程组。它包含 4 个方程，分别描述电荷如何产生电场、磁场不存在磁单极子、电流与时变电场如何产生磁场、时变磁场如何产生电场^[4]。麦克斯韦方程组与洛伦兹力方程共同构成经典电磁学的基础方程^[4]。

方程组中的高斯定律给出电通量与闭合曲面包围电荷的关系；高斯磁定律说明通过任意闭合曲面的磁通量为零，磁场是无源场；法拉第感应定律描述变化磁场感应出电场；麦克斯韦-安培定律在安培环路定理中加入位移电流项，说明变化的电场也能激发磁场^[4]。位移电流并非电荷的流动，其本质是变化的电场^[5]。用微分形式可写作 $\nabla\cdot\mathbf{D}=\rho$、$\nabla\times\mathbf{E}=-\partial\mathbf{B}/\partial t$、$\nabla\cdot\mathbf{B}=0$ 与 $\nabla\times\mathbf{H}=\mathbf{j}+\partial\mathbf{D}/\partial t$^[5]。

在无电荷、无电流的真空区域，方程组可以导出波动方程，由此得到电磁波的传播速度，其数值与真空中光速相符，从而说明光是一种电磁波^[4]。在介质中，波速会随介电常数与磁导率而改变，界面处则发生反射与折射。

flowchart LR

A[电荷与电流] --> B[电场]

A --> C[磁场]

B -->|随时间变化| C

C -->|随时间变化| B

B --> D[电磁波]

C --> D

D --> E[传播至远处并被接收]

发展历程

摩擦起电与天然磁石吸引现象在古代已被记录。约公元前 600 年，古希腊哲学家泰勒斯观察到摩擦后的琥珀能吸引轻小物体，他试图把这种吸引与磁石的吸引联系起来，其解释并不正确，但电与磁的关系后来得到证实^[1]。1600 年，英国医生威廉·吉尔伯特发表著作，系统讨论地磁性质并记载大量实验，使磁学由经验转为科学，书中也涉及电学内容^[1]。

1785 年，库仑通过扭秤实验建立两点电荷之间作用力的定律，即库仑定律；1800 年伏打电堆与伏打电池问世，为研究稳恒电流提供了条件；1826 年欧姆发表著作，明确电压、电流与电阻的关系^[1]。

1820 年，丹麦物理学家奥斯特发现通电导线能使附近磁针偏转，首次以实验把电与磁联系起来；随后安培研究了载流导线之间的作用力并提出安培环路定理，毕奥与萨伐尔给出了电流元对磁极作用力的规律^[4]。1831 年，法拉第发现电磁感应，即磁通量变化会在闭合回路中产生电动势，他提出的力线概念后来发展成场的观念^[1]。

1855 年至 1865 年间，麦克斯韦在库仑定律、毕奥-萨伐尔定律与法拉第定律的基础上引入位移电流假设，把电磁场规律归结为 4 个微分方程，并预言电磁波以有限速度传播、光也是电磁波^[4]。1887 年至 1888 年，赫兹用实验产生并接收到电磁波，证实了上述预见^[4]。20 世纪初，狭义相对论进一步说明电磁场是物质的一种形式^[4]。

20 世纪 40 至 50 年代，量子电动力学建立，可精确处理微观辐射问题，用以描述电磁相互作用^[6]。电磁作用与弱作用的统一理论也在规范场论基础上建立^[6]。

应用

电磁相互作用在生产生活中有广泛的应用，光纤与无线通信、电能的产生转换与分配、计算机、电解化工生产以及探测器中的光电信号都依赖它。

快速变化的电磁场以电磁波形式存在，其应用范围更广；现代无线电技术、波导传输与微波工程都建立在电磁场理论之上^[7]。由麦克斯韦方程组和洛伦兹力方程发展出的相关理论，催生了现代电力科技与电子科技^[4]。

在工程中，求解电磁问题有场方法与路方法两条途径，高频时电路定律失效，须用场的概念处理^[6]。在交流电路中，电感对高频电流呈现较高感抗，可用于滤除高频信号。大气对不同波段电磁波的吸收与反射差异明显，存在吸收很弱的窗口，长波无线电还会被电离层反射。

局限

经典电磁理论把电磁场视为连续的宏观对象，未包含光子的粒子性，因而不适用于微观客体的电磁作用，与量子力学不相容，微观辐射问题需由量子电动力学处理^[6]。

麦克斯韦方程组在伽利略变换下形式改变，只有在洛伦兹变换下才保持不变。该理论发表后曾被认为只在绝对静止的以太参考系中精确成立，以太漂移的测量得到零结果，最终需要狭义相对论来解释^[6]。

麦克斯韦方程组作为矢量偏微分方程组，在一般曲线坐标系中分量方程相互耦合，难以分离变量，求解往往依赖具体边值条件与近似方法^[6]。常用教材只讨论线性、各向同性介质中的电磁场，非线性材料的电磁性质等仍是研究课题^[6]。

高斯磁定律表明磁场是无源场，实验上尚未发现磁单极子，尽管理论上不排除其存在的可能。

参见

• 麦克斯韦方程组 —— 概括电场、磁场与电荷电流关系的 4 个方程，是经典电磁学的核心。

• 电磁场 —— 电场与磁场的合称，电磁作用的载体。

• 电磁波 —— 由变化的电场与磁场相互激发并在空间传播的波动。

• 电磁感应 —— 磁通量变化在回路中产生电动势的现象，是发电机与变压器的基础。

• 量子电动力学 —— 描述电磁相互作用的量子理论，用于处理微观辐射过程。

• 狭义相对论 —— 与电磁理论密切相关、并解释了光速不变的时空理论。