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{{NoteTA
|G1 = 物理學
}}
'''電磁場'''（{{lang-en|electromagnetic field}}）是由[[帶電粒子]]的運動而產生的一種[[場 (物理)|物理場]]。處於電磁場的帶電粒子會受到電磁場的[[作用力]]。電磁場與帶電粒子（[[電荷]]或[[電流]]）之間的交互作用可以用[[馬克士威方程組]]和[[勞侖茲力定律]]來描述。

電磁場可以被視為電場和磁場的連結。追根究底，電場是由[[電荷]]產生的，[[磁場]]是由移動的電荷（電流）產生的。對於[[耦合 (物理學)|耦合]]的電場和磁場，根據[[法拉第電磁感應定律]]，電場會隨著含時磁場而改變；又根據[[馬克士威-安培方程式]]，磁場會隨著含時電場而改變。這樣，形成了傳播於空間的[[電磁波]]，又稱[[光波]]。[[無線電波]]或[[紅外線]]是較低[[頻率 (物理學)|頻率]]的電磁波；[[紫外光]]或[[X-射線]]是較高頻率的電磁波。

電磁場涉及的[[基本交互作用]]是[[電磁交互作用]]。這是大自然的四個基本作用之一。其它三個是[[重力相互作用]]，[[弱交互作用]]和[[強交互作用]]。電磁場倚靠電磁波傳播於空間。

從經典角度，電磁場可以被視為一種連續平滑的場，以類波動的方式傳播。從[[量子力學]]角度，電磁場是[[量子化]]的，是由許多個單獨粒子構成的。

== 概念 ==
静止的[[电荷]]会产生静电场；静止的[[磁偶极子]]会产生静磁场。运动的电荷形成[[电流]]，会产生[[电场]]和[[磁场]]。电场和磁场统称为'''电磁场'''。电磁场对电荷产生[[力]]，以此可以检测电磁场的存在。

电荷、电流与电磁场的关系由[[麦克斯韦方程组]]决定。麦克斯韦方程共有四條，是一组[[偏微分方程]]，其未知量是电场（E）、磁场（B）、位移电流（D）、辅助磁量（H）。其中包括这些未知量对[[时间]]和[[空间]]的偏导数。给定了源（电荷与电流）和边界条件（电场与磁场在边界上的值），可以用数值方法求解麦克斯韦方程，从而得到电场和磁场在不同时刻和位置的值。这一过程称为'''电磁场数值计算'''，或者{{link-en|计算电磁学|computational electromagnetics}}，在[[电子工程]]尤其是[[微波]]与[[天线|天线工程]]中有重要地位。现有的电磁场数值方法包括[[有限元法]]、[[矩量法]]、[[时域有限差分]]。在计算的精度与速度方面已经取得很多进展。可以准确计算普通天线或者微波器件的电磁场。

电磁场根据随时间变化的情况不同可以分为：
# 静电场/静磁场（又称为恒稳电场/磁场）：电场/磁场不随时间变化，但在不同的空间位置可以有不同的值。
#时諧电磁场：电磁场随时间的变化是[[正弦函数]]，但在不同的空间位置可以有不同的幅度和[[相位]]，通常可以用[[复数 (数学)|复数]]来表示。
#含时电磁场：在空间某点的电磁场随时间的变化是普通的时间函数，如果变换到频域，其频谱包含各种[[頻率 (物理學)|频率]]分量。

静电场/静磁场问题可以简化为[[拉普拉斯方程]]或者[[泊松方程]]，时谐电磁场问题可以简化为[[亥姆霍兹方程]]。在这些简化之下，比直接求解麦克斯韦方程要容易。

在电子工程中，静电场/静磁场主要用于计算[[电容]]和[[电感]]。时谐电磁场主要用于计算天线和微波器件的参数，或者[[雷达]]目标的[[散射截面]]。

== 電磁場的結構 ==
電磁場的結構可以從兩種迥然不同的觀點來研究：經典觀點與量子觀點。

=== 連續結構 ===
在[[電磁學|經典電磁學]]裏，電場和磁場是由帶電物體的連續平滑運動產生的。例如，連續平滑振盪中的電荷所產生的電磁場，可以被視為類波動的電磁場。任意連續平滑振盪，可以分解為一組不同頻率的[[正弦波]]。對於這案例，通過電磁場，在兩個位置之間的能量傳輸的機制，被視為是連續的。表面看來，[[無線電波]][[發送器]]好像是連續不斷地傳輸能量。在某些領域，像低頻率輻射，這觀點很有用途。但是，當頻率超高時，會產生嚴重問題（請參閱[[紫外災變]]）。這嚴重問題引領出另外一種觀點。

=== 離散結構 ===
電磁場可以用比較粗糙的方法來想像。二十世紀初期的許多實驗結果，令物理學家覺得，電磁場的能量傳輸機制應該是通過一小包、一小包的能量。每一小包都是一個固定[[頻率 (物理學)|頻率]]的[[量子]]，稱為[[光子]]。[[普朗克關係式]]連結了光子的[[能量]]<math>E</math>和頻率<math>\nu</math>：
:<math>E=h\nu</math>；

其中，<math>h</math>是[[普朗克常數]]，因[[馬克斯·普朗克]]而命名。

在[[光電效應]]裏，因為[[電磁輻射]]的照射，[[金屬]]表面會發射[[電子]]。物理學家發現，增加入射輻射的強度對實驗沒有任何影響，只有輻射的頻率的高低與電子的發射有關。

這電磁場的量子觀點，證明是非常地具有威力，成功地幫助引領物理學家發展出[[量子電動力學]]，即描述電磁輻射與带電物質的交互作用的[[量子場論]]。

== 電磁場動力學 ==
早些時期，物理學家認為帶電物體會產生兩種不同的場。相對於觀測者的參考系，當[[電荷]]呈固定狀態的時候，會有[[電場]]產生；而當電荷呈移動狀態時，會有[[磁場]]產生。後來，物理學家發覺電場和磁場應該被視為一個整體的兩個部份。這個整體就是電磁場。

一個電荷分佈所產生的電磁場，會使得處於這場內的帶電物體感受到作用力（就好像在[[太陽]]的[[重力場]]內的[[行星]]所感受到的作用力）。這些帶電物體的運動又會產生新的電磁場。這樣，電磁場可以視為一個動力的整體，造成電荷的運動，也被電荷的運動影響。這些交互作用可以用[[馬克士威方程組]]和[[勞侖茲力定律]]來描述。

== 電磁場是一個反饋迴路 ==
電磁場的物理行為可以分解為一個[[反饋|反饋迴路]]的四部份： (1)電荷或電流產生電磁場， (2)電磁場的電場和磁場交互作用， (3)電磁場施加作用力於電荷或電流， (4)電荷或載有電流的導體移動於空間。

學習電磁學常犯的一個錯誤，就是誤認電磁場的量子為產生電磁場的帶電粒子。在日常生活裏，帶電粒子，像電子，緩慢地移動於物質內部，通常速度大約為幾公分／秒，但是電磁場傳播的速度是[[光速]]，大約為三十萬公里／秒。數量級差為一百萬。當然，帶電粒子可以以相對論性速度移動，接近電磁場的傳播速度。但是，這樣做需要給予帶電粒子超大的能量。這只能在[[粒子加速器]]內做到；而不可能發生於人類日常生活。

電磁場的反饋迴路可以總括為一個列表，包括屬於反饋迴路的每一部份的物理現象。
*電荷或電流產生電磁場
**電荷產生電場
**電流產生磁場 
*電場和磁場交互作用
**含時電場就好像電流（位移電流），產生磁場渦旋。
**[[法拉第電磁感應定律]]：含時磁場感應出（負值）電場渦旋。
** [[冷次定律]]：電場與磁場之間的負的反饋迴路。
*電磁場作用於電荷
**[[勞侖茲力]]：源自於電磁場的作用力。
***電場力：源自於電場的作用力，與電場同方向。
***磁場力：源自於磁場的作用力，垂直於磁場和電荷的速度。
*電荷的運動
**按照[[牛頓第二定律]]，電荷移動於電磁場，同時形成電流。

== 數學理論 ==
{{main|電磁場的數學表述}}
表述電磁場的數學方法有幾種。最常見的一種將電場和磁場視為三維[[向量場]]，稱這方法為'''向量場形式論'''。在空間的每一個位置，在每一瞬時，這些向量場都有唯一定義的向量值，是參數為空間跟時間的向量函數。這樣，電場和磁場時常分別寫為<math>\mathbf{E}(x, y, z, t)</math>和<math>\mathbf{B}(x, y, z, t)</math>。

假設，磁場等於零，只存在有電場，而且電場不含時間，則稱此電場為'''靜電場'''。類似的，假設，電場等於零，只存在有磁場，而且磁場不含時間，則稱此磁場為'''靜磁場'''。但是，假設電場或磁場中有任意一場含時間，則必須使用馬克士威方程組，將電場和磁場一起以耦合的電磁場來處理。<ref>Electromagnetic Fields (2nd Edition), Roald K. Wangsness, Wiley, 1986. ISBN 0-471-81186-6 (intermediate level textbook)</ref>.

由於[[狹義相對論]]的出現，物理定律顯露出用[[張量]]的形式論來表達的必要性。馬克士威方程組可以寫為張量形式。物理學家通常認為這是一種更精緻地表達物理定律的方法。

在[[真空]]裏，電場和磁場的物理行為，不論是在[[靜電學]]，[[靜磁學]]或[[電動力學]]，都遵守[[馬克士威方程組]]。採用[[國際單位制]]，馬克士威方程組以向量場形式論表達為
:<math>\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\varepsilon_0}</math>（[[高斯定律]]）、
:<math>\nabla \cdot \mathbf{B} = 0</math>（[[高斯磁定律]]）、
:<math>\nabla \times \mathbf{E} = -\frac {\partial \mathbf{B}}{\partial t}</math>（[[法拉第電磁感應定律]]）、
:<math>\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \mathbf{J} + \mu_0\varepsilon_0  \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}</math>（[[馬克士威-安培定律]]）；

其中，<math>\rho</math>是[[電荷密度]]，<math>\varepsilon_0</math>是[[真空電容率]]，<math>\mu_0</math>是[[真空磁導率]]，<math>\mathbf{J}</math>是[[電流密度]]。

假設介質是線性材料，則需要將真空電容率和真空磁導率分別更換為[[介質]]的[[電容率]]和[[磁導率]]。假設，介質對於電磁場的反應更加複雜，則須使用複數或張量來表達介質的電容率和磁導率。

勞侖茲力定律主管電磁場施加於帶電物體的作用力<math>\mathbf{F}</math>：
:<math>\mathbf{F} = q(\mathbf{E}+\mathbf{v}\times\mathbf{B})</math>；

其中，<math>q</math>是帶電物體的電量，<math>\mathbf{v}</math>是帶電物體的速度。

== 電磁場性質 ==
=== 光波是一種電磁輻射 ===
在離電荷源和電流源超遠的區域（[[自由空間]]），馬克士威方程組可以描述[[電磁波]]的物理行為。在自由空間裏，<math>\rho</math>和<math>\mathbf{ J}</math>都等於零，電場和磁場滿足[[電磁波方程式]]：
:<math>  \left( \nabla^2 - { 1 \over {c}^2 } {\partial^2 \over \partial t^2} \right) \mathbf{E}= 0</math>、
:<math>  \left( \nabla^2 - { 1 \over {c}^2 } {\partial^2 \over \partial t^2} \right) \mathbf{B}=0</math>；

其中，<math>c</math>是光速。

[[詹姆斯·馬克士威]]發現，使用[[安培定律]]的方程式，則對於含時電荷分佈，無法滿足[[電荷守恆定律]]。為了要彌補這缺陷，必須增加一個[[位移電流]]項目於安培定律的方程式。因為這個修改，他緊接地推導出在真空裏的電磁波方程式。

== 健康與安全 ==
環繞在電力線和電力原件四周的非常低頻率電磁場，對於人體的潜在健康影響，是一個仍舊進行中的研究領域和大眾辯論的熱門題目。在有些工作場所，電磁場可能會是平均值的10,000倍，美國[[國家職業安全衛生研究所]]已經發佈了一些警誡建議，但是強調相關數據仍舊有限，不足以做明確的結論<ref>{{cite web|url=http://www.cdc.gov/niosh/emf2.html|title=NIOSH Fact Sheet:  EMFs in the Workplace|accessdate=2007-10-28|publisher=United States National Institute for Occupational Safety and Health|archive-url=https://web.archive.org/web/20071013233206/http://cdc.gov/niosh/emf2.html|archive-date=2007-10-13|dead-url=yes}}</ref>。

電磁場對於人體健康的潜在影響，會因電磁場的頻率和強度變化良多。以下列出電磁光譜的幾個部份，有關其中某一部分的電磁場會對人體造成的健康影響，請參閱對應條目：
*靜電場：請參閱條目[[觸電]]
*靜磁場：請參閱條目[[核磁共振成像#技术应用#MRI的缺点及可能存在的危害|MRI的缺点及可能存在的危害]]
*[[極低頻]]（ELF）：請參閱條目[[輸電系統#健康問題|健康問題]]
*無線電波：請參閱條目[[電磁輻射與健康]]
*光波：請參閱條目{{link-en|雷射的安全使用|Laser safety}}
*紫外光：請參閱條目[[曬傷]]
*伽瑪射線：請參閱條目[[伽瑪射線]]
*行動電話：請參閱條目[[行動電話輻射和健康]]

== 參閱 ==
*[[經典場論]]
*[[場線]]
*[[重力場]]
*{{link-en|電磁療法|electromagnetic therapy}}
*{{link-en|電磁場測量法|EMF measurements}}
*{{link-en|電磁近場與遠場|Near and far field}}
{{电磁学}}

== 參考文獻 ==
{{reflist}}

== 外部連結 ==
*[[世界衛生組織]][[國際癌症研究機構]]的資料：[http://monographs.iarc.fr/ENG/Monographs/vol80/volume80.pdf 非游離輻射，第一集：零頻率與極低頻的電場與磁場（2002）] {{Wayback|url=http://monographs.iarc.fr/ENG/Monographs/vol80/volume80.pdf |date=20080307080543 }}。
*國家職業安全衛生研究所網頁：[http://www.cdc.gov/niosh/topics/emf/  有關電磁場的論題] {{Wayback|url=http://www.cdc.gov/niosh/topics/emf/ |date=20091213144934 }}。

{{Authority control}}
{{DEFAULTSORT:D}}
[[Category:基本物理概念]]
[[Category:電磁學]]
[[Category:场物质]]