電磁學 electromagnetism
研究電荷靜止或運動時產生的電磁現象以及物質電磁性質的學科。屬於經典物理。電與磁的研究涉及廣泛的領域，隨著科學技術的發展，某些帶有專門知識和技術的內容逐漸分出去，形成專門的學科，如電子學、電工學、電機學、電化學、等離子體物理學、計算機科學、通信技術等。電磁學本身則僅限於電磁現象中較為基本的內容。
1.發展簡史
人類對電和磁的認識可追溯到公元前600年，已有磁石吸鐵、磁石指南北和琥珀經摩擦起電能吸引輕小物體的記載。
16世紀W.吉伯對前人有關磁的研究進行了總結：他發明了第一個驗電器，發現更多的物質摩擦後可帶電；注意到帶電與磁的區別，把它們看成兩種無關的獨立現象。
17世紀O.von蓋利克發明了摩擦起電機，18世紀電的研究才迅速發展起來，發現了導體與絕緣體的區別，認識到電有兩種，發明了可儲存電的萊頓瓶。
1747年B.富蘭克林提出電荷守恆，並用正負號表示兩種電荷。
1767年J.普里斯特利猜測電力與萬有引力有相似的規律，都與距離平方成反比，後來分別被C.-A.de庫侖和H.卡文迪什用實驗證實，從此電的研究開始進入科學的行列。
後來，通過S.-D.泊松等人的工作，發展了靜電學的解析理論。
18世紀末電學研究的重要進展是A.伏打在L.伽伐尼青蛙實驗的基礎上認清了產生持續電流的原因而發明了電池，為動電的研究提供了條件。
進入19世紀，先後發明了一系列動電的應用，如電解、電弧照明、電鍍等。最為重要的成就是，1820年H.C.奧斯特發現了電流的磁效應，電流引起導線近旁的磁針偏轉，結束了電與磁相互割裂開來研究的歷史，開拓了電磁學研究的新紀元。
緊接著A.-M.安培提出磁的本源是電流，他和J.-B.畢奧、F.薩伐爾等進而研究穩恆電流與恆磁場相互作用的定律。
1826年G.S.g.歐姆發現物質導電定律，到1848年G.R.基爾霍夫澄清了電勢差、電動勢和電場強度等概念，使歐姆理論與靜電概念協調起來，解決了分支電路問題。
1831年M.法拉第發現了電磁感應現象，可供實用的自激發電機和電能的遠距離輸送相繼發明和實現，為能源的開發和利用開創了嶄新前景。
電動機的廣泛使用，極大地改變了工業生產的面貌。法拉第在對於電磁現象的研究中，逐漸形成了他特有的場觀念，這一不朽的思想對物理學的發展起著重大的推動作用。場是物質存在的基本形式。
1864年J.C.麥克斯韋建立一組電磁場的普遍方程組來體現法拉第的場思想，這一組簡潔的數學方程（即麥克斯韋方程組）不僅可推論出電磁波，而且把電磁學和光學綜合為一體。
麥克斯韋電磁理論通過1888年H.R.赫茲電磁波實驗的證實，開闢了一個全新的電磁波的應用和研究的領域。以後電子管和電晶體的發明、通信技術的發展、電子計算機的出現，極大地改變了科學技術、工業生產、人類生活以及社會交往的各個方面。
1896年H.A.洛倫茲提出「電子論」，將麥克斯韋理論應用到微觀領域，並把物質的電磁性質歸結為原子中電子的效應，這樣可具體說明物質的極化、磁化、導電等現象，物質對光的吸收、散射和色散現象以及光在運動介質中的傳播等，把麥克斯韋理論向前推了一大步。
電磁學的進一步發展導致1905年A.愛因斯坦建立狹義相對論，它否定了絕對靜止慣性系，確認相對性原理是物理學的基本原理。狹義相對論不僅發展了電磁理論，而且對整個物理學的發展具有劃時代的推動作用。
20世紀物理學的發展，在帶電粒子與電磁場的相互作用上，使經典電磁理論遇到了困難。經典理論的局限性在於：對帶電粒子的描述忽略了其波動；而對電磁波的描述又忽略了其粒子性。於是在波粒二象性的基礎上發展了量子電動力學。
2.基本內容
主要包括靜電場、恆磁場、電磁場、電路、物質的電磁性質和電磁效應。
2.1.靜電場
研究靜止電荷與靜電場的相互作用，基本規律有三條：
①庫侖定律。真空中兩個靜止點電荷和之間作用力的大小與與的乘積成正比，與它們之間的距離平方成反比，作用力的方向沿它們之間的連線，同號電荷相斥，異號電荷相吸，用公式表示為：
式中是施力電荷指向受力電荷的徑矢，法/米，稱為真空電容率。
②疊加原理。電荷系對某一電荷的作用力等於電荷系中各電荷單獨存在時對它的作用力的矢量和。
③電荷守恆定律。任何物理過程中，體系的電荷代數和保持不變。
電荷之間的相互作用力是通過電荷產生的電場相互作用的，電荷產生的電場用電場強度E來描述。根據庫侖定律和疊加原理可導出靜電場基本性質的兩個定理：
①高斯定理。通過任意閉合面的電通量等於閉合面所包圍的電荷代數和除以，或電場的散度等於電荷密度除以，即。
②環路定理。電場對任意閉合曲線的線積分恆等於零，或電場的旋度恆等於零，即，靜電場是非旋場，可引入電勢概念。
點電荷在電場中所受的作用力為，點電荷在電場中由點移動到點，電場力所做的功為，，和分別是、兩點的電勢。由此可計算任意帶電體在電場中受到的力和移動電荷電場力所做的功，從而得知帶電體在電場中的運動。
2.2.恆磁場
研究穩恆電流與恆磁場的相互作用。電流之間的磁相互作用是通過磁場傳遞的。場用磁感應強度B描述。真空中穩恆電流產生的磁場遵從畢奧-薩伐爾定律：
式中為電流元，為電流元到場點的徑矢，積分遍及整個電流迴路，亨/米，稱為真空磁導率。據此，可導出恆磁場基本性質的兩個定理，磁的高斯定理和安培環路定理，j是電流密度。這表明恆磁場是有旋無源場。
電流元在磁場中所受的力滿足安培力公式。速度為的帶電粒子在磁場中所受的力滿足洛倫茲力公式。同時存在電場和磁場時，運動電荷所受的洛倫茲力為。
2.3.物質的電性質和電磁效應
物質在電場和磁場中具有特殊的性質，並產生特殊的效應，它們在實際問題中具有廣泛的應用價值。
物質按其導電性能的不同可分為兩種極端情形：導體和絕緣體（電介質）。導體內存在可運動的自由電荷。當導體的成分和溫度均勻時，達到靜電平衡的條件是導體內部的電場恆等於零。由此可得導體靜電平衡的一些性質，如導體是等勢體，電荷只能分布在導體表面，接地導體空腔起靜電屏蔽作用，兩個導體板靠得很近的系統組成電容器並可容納電荷等。電介質在電場中被極化，介質表面和體內將出現束縛的極化電荷，有介質存在時的電場規律為，式中為電位移，為自由電荷密度。對於各向同性線性介質，，為介質的相對電容率。在兩種不同電介質界面上電場強度的切向分量連續，，電位移的法向分量連續，。
磁介質在磁場中被磁化，介質的表面和體內出現磁化電流。有介質存在時的磁場規律為，，式中為磁場強度，為傳導電流密度。對於各向同性線性磁介質，，為介質的相對磁導率。在兩種不同磁介質的分界面上，，。
物質中的電磁效應是電磁學與物理學其他分支之間聯繫的紐帶，其種類繁多，有許多已成為或正在發展為專門研究領域。可列舉一些如下：電致伸縮、壓電效應，逆壓電效應、塞貝克效應、珀耳帖效應、湯姆孫效應、熱敏電阻、光敏電阻、光生伏打霍耳效應、磁致伸縮、磁聲效應、磁熱效應、磁光效應、克爾效應等。對於名種電磁效應的研究，有助於了解物質的結構及物質中發生的基本過程；在技術上，它們也是實現能量轉換、非電量電測以及控制技術的基礎。
2.4.電磁場
研究隨時間變化的電磁場是電磁學的普遍情形。法拉第電磁感應定律表述為閉合線圈內產生的感應電動勢的大小與穿過線圈的磁通量的變化率成正比，，式中負號反映感應電動勢的方向。磁場變化時產生的感應電動勢是由於變化的磁場在其周圍產生有旋的感應電場，它與電荷激發的電場不同，滿足。普遍情形下，總電場為兩者的矢量和，總電場滿足的方程為：
（1）
（2）
變化的電場在其周圍也激發有旋的磁場，總磁場為電流激發的磁場與變化電場激發的磁場的矢量和，總磁場滿足的方程為：
（3）
（4）
式中為位移電流密度，主要成分是變化的電場。(1)～（4）式是普遍情形下的麥克斯韋方程組。它同物質的介質方程（，，）、洛倫茲力公式以及電荷守恆定律結合起來，可解決各種動力學問題。
根據麥克斯韋方程組可解出變化的電磁場以波的形式傳播，電波在真空中的波速為米/秒，與光在真空中的傳播速度相同，說明光是電磁波，從而光學被納入電磁學的範圍。
電磁場具有能量，能量密度。電磁中存在能流，能流密度為。電磁過程遵從能量守恆定律。電磁場還具有動量和動量流，電磁過程還遵從動量守恆定律。
2.5.電路
包括直流電路和交流電路。直流電路研究電流穩恆條件下的電路定律和性質。直流電路中除了電源外只有電阻。物質導電的基本定是歐姆定律，電壓等於電流乘以電阻，微分形式是，是物質的電導率。直流電路定律是基爾霍夫方程組，本質上是電荷守恆定律和環路定理的重新表述。
交流電路中除了電阻之外還有電感和電容。電源電動勢和電路電流時間變化，引起空間電場和磁場變化，存在電磁感應和位移電流引起的電磁波。當交流電頻率遠小於赫時，電壓概念仍然有效，電路的基本定律仍為基爾霍夫方程組。電路中電流與電壓之間存在相位差，從而帶來一系列直流電路所沒有的電路特性，如諧振、濾波、相移、瞬態等，在實際中有廣泛的應用。當頻率高於赫，電路中電磁波的傳播效應不可忽略，原則上應該用麥克斯韋方程組處理。某些特殊情形下，尚可在限定範圍內引入橫向電壓、分布電感和分布電容等概念，使處理簡化。
3.地位和影響
電磁學是經典物理中較為重要的分支，它可說明各種宏觀電磁現象。由於電結構是物質的基本組成形式，電磁場是物質世界的重要組成部分，電磁作用是物質的基本相互作用之一，電過程是自然界的基本過程，因此電磁學已滲透到物理學的各個領域，成為研究物理過程必不可少的基礎。此外，它也是研究化學和生物學基本過程的基礎。
另一方面，電與磁同其他運動形式之間的轉化方便，傳遞迅速、準確，便於控制電磁技術在能源開發輸送和使用方面起著重要作用，它使人類可更廣泛、更有效、更方便地利用一切可利用的能源。電磁技術還在機電控制和自動化，信息的傳遞和處理，利用各種電磁效應實現非電量的電測方面也具有重要意義。電磁學也是技術科學的重要基礎，在科學技術的不斷發展中顯示其深遠影響。
推薦書目
傑克遜 JD. 經典電動力學. 朱培豫，譯. 北京：人民教育出版社，1978.
趙凱華，陳熙謀. 2版. 北京：高等教育出版社，1985.
俞允強. 電動力學簡明教程. 北京：北京大學出版社，1999.
WHITTAKER E T. A History of the Theories of Aether and Electricity. London: Thomas Nelson and Sons, 1953.
摘自：《中國大百科全書（第2版）》第5冊，中國大百科全書出版社，2009年