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電磁場是內在彼此聯系、相互依存的電場和磁場的總稱。隨時間變化的電場產生磁場，隨時間變化的磁場產生電場，兩者互為因果，形成一個統一的整體，即電磁場。電磁場是電磁作用的媒介，具有能量和動量，是物質存在的一種形式。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起，也可由強弱變化的電流引起，在自由空間中以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁波是電磁場的運動形式。電磁場的性質、特征及其運動變化規律可由麥克斯韋方程組來表述。

20世紀以來，電磁理論及雷達、天線、微波器件、射頻電路等技術發展迅猛，電磁場應用已經涉及通信、遙感、導航、探測、成像、生物醫學、天氣預報、航空航天等眾多領域。民用多在手機終端、無線通信、射頻識別(RFID)技術等領域；軍用則涉及國家安全、軍事裝備的方方面面，例如雷達、導航、衛星等。通信是公民的基本權利，也是物物相聯(物聯網)的基本方式，有通信存在及需要的地方，無論海、陸、空、天，就有電磁場及電磁波技術出現。如今，隨著電子技術、計算機及信息科學的發展，電磁理論及工程技術也正面臨著更多的挑戰，新型研究領域不斷涌現，例如毫米波及亞毫米波技術、微波單片集成電路、智能天線、可穿戴設備、新型人工電磁材料、計算電磁學、電磁兼容、太赫茲技術、生物電磁學等。

1800年，伏打發明電堆。在此基礎上，1820年，丹麥物理學家奧斯特發現了電流的磁效應。同年，在電流磁效應的啟發下，法國物理學家安培通過實驗總結出了安培定律。也是在1820年，法國物理學家畢奧和薩伐爾通過實驗總結出了畢奧-薩伐爾定律，并在數學家拉普拉斯的幫助下給出了數學表示公式。人們認識到了電學與磁學的聯系，從此開始了電磁學的新階段。電流磁效應的發現，還使得電流的測量成為可能，1826年，歐姆據此確定了電路的基本規律—歐姆定律。1823年，斯特金發明了電磁鐵。1831年，英國物理學家法拉第發現了電磁感應現象，證實了電現象與磁現象的統一性，并制造出了第一臺發電機，開創了能源開發與利用的新時代。1837年，摩爾斯發明有線電報，人類開始了電通信階段；1861年，貝爾發明了電話。人類在19世紀末實現了電能的遠距離輸送，電力的廣泛應用直接推動了世界第二次工業革命。

1855—1873年，麥克斯韋在繼承和發展庫侖、高斯、歐姆、法拉第、安培、畢奧、薩伐爾等人思想和觀點的基礎上建立了電磁場理論體系。

1855年，麥克斯韋在第一篇重要論文《論法拉第的力線》中，引入了一種新的矢量函數來描述電磁場，由該函數的各種微分運算，推導出電流的力線與磁力之間的關系，通過矢量微分方程表示出電流和磁場之間的定量關系，以及電流間的作用力和電磁感應定律的定量公式。他將法拉第的力線由一種直觀的概念上升為科學的理論，法拉第大為贊揚:“我驚訝地看到，這個主題居然處理得如此之好!”

1861—1862年，麥克斯韋發表了第二篇重要論文《論物理力線》。在論文的第一部分，他設計了電磁作用的力學模型，討論了磁體之間、能夠產生磁感應的物質之間以及電流之間的作用力。在論文的第二部分，麥克斯韋設想了一個“分子渦旋和電粒子”模型，討論了電磁感應現象。在論文的第三部分，麥克斯韋將他的渦旋假設用于靜電現象，并引入了“位移電流”的概念，由此得到了兩個驚人的結論:導體周圍的電粒子可以做彈性位移；變化的電流能夠以一定的形式進入導線周圍空間。在論文的第四部分，麥克斯韋重新討論了磁光效應。

1864年，麥克斯韋發表了第三篇重要論文《電磁場的動力學理論》。他明確地提出了電磁場的概念，認為電磁場可以存在于物質及真空之中，并對電磁場的能量做了定量計算，導出了電磁場能量密度公式和總能量方程。隨后，麥克斯韋根據電磁學的實驗定律和普遍原理建立了電磁場方程，包括電位移方程、電彈性方程、全電流方程、磁力方程、電流方程、電動力方程、電彈力方程、電阻方程、自由電荷方程、連續性方程等20個方程。1865年，他把電磁近距作用和電動力學規律結合在一起，用方程組概括了電磁規律，建立了電磁場理論，并預測了光的電磁性質，繼牛頓力學之后，物理學實現了第二次理論大綜合。

1873年，麥克斯韋出版了科學名著《電磁學通論》，系統、全面、完美地闡述了電磁場理論。他提出了“渦旋電場”和“位移電流”假說，預言了電磁波的存在，計算出了電磁波的傳播速度，從理論上證明了光是一種電磁波。1888年，德國物理學家赫茲在實驗室實現了電磁波的發送和接收，證明了電磁波具有反射、折射、干涉、衍射等性質，并驗證了麥克斯韋理論。至此，物理學實現了電、磁、光的綜合，即第三次理論大綜合，為近代電力工業和無線電通信的發展奠定了理論基礎。

電磁場理論是19世紀物理學中最偉大的成就，愛因斯坦在紀念麥克斯韋100周年誕辰時說，這是繼牛頓力學之后物理學史上又一次劃時代的偉大貢獻。在歷史上，赫茲對電磁場理論的貢獻也舉足輕重。他不僅證實了電磁波的存在，使得電磁場理論被普遍接受，還重新推導和論證了麥克斯韋理論中的靜態電磁學基本方程組，整理了基本概念并消除了混亂。另外他還建立了運動物體的電磁學基本方程組，引申和拓展了麥克斯韋電磁場理論。1890年，赫茲給出了麥克斯韋方程組簡化的對稱形式，包括四個矢量方程，其基本形式一直沿用至今。

電磁場理論的建立標志著電磁學的發展進入了一個新階段，為電工、電子和電能等技術的產生、應用及發展提供了強勁支撐，對人類生產實踐和社會進步起到了巨大的推動作用。電磁場理論使人們認識到“場”是物質存在的一種形式；發電機和電動機的發明，實現了機械能和電能間的相互轉化，使人類生活方式從機械化變為電氣化。1893年，美國物理學家特斯拉發明了無線電信號傳輸系統，1895年他又發明了電振蕩發生器。1895年，俄國物理學家波波夫發明了無線電收發報機。同年，意大利物理學家馬可尼成功地利用電磁波進行了通信試驗，開創了無線電波應用的新紀元。

2.電磁場理論在現代科學技術中的應用

現代科學技術的許多方面都與電磁場，尤其是高頻電磁場有關。電子信息系統都以電磁波來傳遞信息，電磁場理論已經應用到了通信、雷達、物探、電磁防護、電磁兼容、醫療診斷、戰略防御、工農業生產和日常生活的各個領域。

歷史上最初用銅線傳輸電能與信號，產生了電工類的多個行業。后來采用波導傳輸線傳送微波信號，開創了雷達、通信、導航等應用技術。目前利用光纖進行通信系統的信號傳輸，更是一次革命性的發展。光纖傳輸具有容量大、低損耗、體積小、重量輕等特點，光器件也在迅速發展并投入應用。隨著通信技術的發展和網絡的普及，光端機將很快會成為家庭和辦公場所信息傳輸必備的設備。紅外技術、毫米波技術、激光技術的發展，顯示了它們在工業、國防、交通運輸、醫療等領域的廣闊應用前景。全息圖像技術、遙感技術、射頻識別技術、太赫茲技術的完善及應用也是當今發展的主要熱點。外層空間太陽能發電、電力傳輸、衛星通信與跟蹤等技術的發展也都與空間電磁波應用密切相關。

在近代通信發展史上，1899年，美國的柯林斯達造出了第一個無線電話系統；1906年，費森登在美國建立了第一個無線電話發射臺；1908年，英國的肯培爾等提出電子掃描原理，奠定了現代電視技術的基礎。1919年，英國建立了第一座無線電臺；1921年，人類實現了短波跨洋傳播；1925年，英國的貝爾德發明了第一臺實用電視機；1930年，微波通信實現；1938年，電視廣播開播；1958年，人類發射第一顆通信衛星；20世紀70年代，移動通信系統和終端設備出現；1982年，國際海事通信組織開通由四顆地球同步衛星組成的國際海事衛星電話(INMARSAT)系統，實現了全球移動通信；1999年，國際衛星組織發射電視直播衛星，應用于高速信息公路。20世紀90年代，蜂窩電話系統開通，光纖通信迅速發展，無線廣域網(WWAN)、無線城域網(WMAN)、無線局域網(WLAN)、無線個域網(WPAN)、無線傳感網(WSN)等各種無線通信標準的技術和制式不斷涌現，并且共同存在、相互補充。信息技術發展日新月異，隨著大數據、云計算和物聯網加速滲透與融合，第五代移動通信(5G)加速商用，人工智能(AI)加速成熟，社會經濟正在向數字化、網絡化和智能化加速發展。2019年，我國5G低頻段(Sub-6GHz)已經開始商用，并且已批準了24.75~27.5GHz和37~42.5GHz的毫米波5G頻譜作為實驗頻段。基于大規模MIMO的5G毫米波技術趨于成熟，預計于2022年開始商用。第六代移動通信(6G)的研究也已啟動，6G將是一個由大量中低軌衛星與地面5G融合的網絡，從而使得人類第一次實現對整個地球表面及其近空間全覆蓋，6G將是人類移動通信歷史上的一次革命。

繼微波技術應用于雷達、通信之后，在20世紀中葉微波加熱技術開始用于工、農業生產。目前微波技術已在食品、材料、塑料、陶瓷、醫療領域得到廣泛普及和應用，例如微波加熱與烘干、微波與激光治療、微波消毒等。

將電磁學原理和計算方法應用到生物醫學工程領域，出現了如骨電磁重建、核磁共振成像、X射線層析成像、數字減影造影等，提供了電磁場用于組織損傷和臨床應用的理論基礎。電磁式生物芯片技術有效地將電場和磁場的作用結合在一起，通過計算機可控制芯片上任一點的生化反應，可用于醫療中的早期診斷。電磁仿生技術則是基于仿生機制和模型的新型電磁防護模式，將生物系統的構造和生物活動的過程、機理恰當地運用并融合至電磁防護領域。

電磁場可用于各種材料的加工過程，實現對過程的控制，達到材料組織和性能改善的目的，在材料科學研究和加工中得到了廣泛應用。電磁處理具有無污染、操作方便和效果顯著等優點，受到了人們的高度重視，已逐漸成為金屬材料熔煉、熔體提純、組織細化、控制熔體凝固與成型以及制造復合材料的一種重要手段。

20世紀初以來，電磁法勘察廣泛應用于工程地質勘探中。目前正在開發和研究利用大功率人工電磁場源的電磁法勘探方法。電磁法正在成為既能在地面觀測，又能在空間觀測，實現立體、四維探測的地球物理方法，并廣泛應用于地殼上地幔深部結構探測，可為地殼、巖石圈結構、演化和動力學研究提供重要數據，其研究和應用前景非常可觀。

電磁感應無極燈綜合運用了功率電子學、等離子學、磁性材料學等領域的最新科技成果，是近幾年國內外電光源界著力研發的高新技術產品。它不設電極，通過以高頻感應磁場的方式將能量耦合到燈泡內，使燈泡的氣體雪崩電離形成等離子體，再輻射出紫外線，燈泡內壁的熒光粉受紫外線激發而發出可見光。這種新光源的壽命理論上可達10萬小時，是高壓鈉燈與帶電極熒光燈的10倍以上，且光通量不易衰減。無極燈還可采用智能控制技術實現自身調光控制以節約能源。

左手材料是介電常數和磁導率同時為負的一種人工電磁材料，具有負相速度、負折射率、反常切倫科夫效應、逆多普勒效應等多種奇異特性。在2000年后，人們設計出了各種左手材料結構單元，能夠實現平板聚焦、天線波束匯聚、完美透鏡、超薄諧振腔、后向波天線、微波器件小型化、電磁波隱身等功能，在光學、材料、微波、微電子、通信、醫學、國防等領域有著巨大的潛在應用價值。

太赫茲是連接微波和光波之間的一個頻帶(0.1~10THz)，具有瞬態性、寬帶性、低能性、相干性及強穿透性等特點。太赫茲對于皮膚等人體組織有很強的穿透能力而不會對人體組織造成損害，而且是熱輻射中十分豐富的輻射頻段，在生物、遙感、檢測、熱成像等領域的應用前景十分廣闊。太赫茲頻段左手材料的實現將與成熟的太赫茲光源、探測器一起，對太赫茲技術的工業推廣起到十分積極的影響。

隨著第三次科技革命的發生，軍事和國防領域越來越多地受科技因素的影響，甚至使傳統武器裝備發生了革命性的變化。電子對抗技術便是利用專門的設備和器材，以電磁波為武器阻礙對方電磁波信號的發射和接收，保證己方信號的發射和接收。電磁炸彈是一種能釋放出γ射線的高頻率電磁波炸彈，γ射線通過沖擊大氣層內的氧氣和氮氣，可以制造出高電壓的電磁脈沖，其能量在擴散時可被電子設備吸收，使得電子信息系統被摧毀。電磁槍、電磁炮是運用電磁力加速彈丸的電磁發射裝置，電磁炮可用于摧毀空間的衛星和導彈，還可以攔截由艦只和裝甲車發射的導彈。激光武器可以利用激光束來直接攻擊敵方目標。采用微波產生熱量的“熱槍”武器，可使人體體溫升高至40.6~41.7℃，讓敵人不舒服、發燒甚至死亡。使用頻率非常低的電磁輻射，還可以使人及動物處于昏迷狀態，達到作戰效果。電磁波無線傳能技術使傳統的飛行器推進技術發生變革，加拿大科學家已試制出世界上第一架無人駕駛的微波飛機，實現了無油空中飛行。美國也研制出以微波為動力的大型無人駕駛飛機。據報道，日本正在研究利用微波向宇宙飛船輸送電能。另外，通過采用隱形材料和隱形設計，可以制造出隱形飛機，躲過雷達探測。

隨著現代科學技術的發展，電子、電氣系統的應用越來越廣泛。大量的電子、電氣設備發射和輻射的電磁能構成了極其復雜的電磁環境，出現了電磁干擾和電磁污染，從而誕生了電磁兼容這門學科。現代電磁場工程中，高頻電磁場問題的主要特點是電磁系統具有高度復雜性。隨著電子設備工作頻率的不斷升高，小結構變成了電大尺寸，電磁兼容得到了越來越高的重視。

計算機技術的飛速發展為復雜電磁工程問題的數值計算提供了有效的解決途徑，由此出現了計算電磁學這門學科。計算電磁學主要包括矩量法、時域有限差分法、有限元法等。并且它與射線跟蹤法等高頻近似的方法相互結合，還出現了一些混合數值計算方法。

現代科學技術表現出學科交叉融合發展的趨勢，例如，電磁場、無線技術與其他學科的相互融合，形成了微波集成電路、智能天線、電磁兼容與環境電磁學、生物電磁學、材料電磁學、地震電磁學、太赫茲技術應用等新興邊緣學科。電磁理論的發展促進了科學技術的進步，例如，我國研制的世界最大單口徑射電望遠鏡(FAST)，能夠幫助人類探索宇宙起源、星際物質結構、對暗弱脈沖星搜索、地外理性生命搜索等，在未來20~30年將保持世界一流的地位。我國自主研發的電磁彈射系統處于世界領先地位，已經實現了艦載機的彈射起飛和電磁阻攔降落，系統成熟度高、性能穩定可靠。我國的北斗衛星系統和載人航天技術也處于國際先進水平。在科學技術和新型學科發展的推動下，電磁場理論及微波技術也正在以其獨特的魅力不斷地豐富和發展。

人類社會開始從物理世界向虛擬世界延伸，伴隨著智能體的大量出現將形成智聯網(智能體互聯網)，信息服務、信息產品和信息消費將升級成新格局，生產生活方式面臨重構。智聯網可實現人與智能體，以及智能體之間的互聯、交互和協作；虛擬空間則可以幫助人類擺脫物理空間的約束，極大地擴展人類的精神空間，推動社會結構的多元化發展；而AI與虛擬空間技術的融合會帶來智能空間形態，基于信息物理系統和人機接口技術，實現物理空間和虛擬空間的深度融合，將深刻改變人類的生活和生產方式。