电磁场是内在彼此联系、相互依存的电场和磁场的总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成一个统一的整体，即电磁场。电磁场是电磁作用的媒介，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，在自由空间中以光速向四周传播，形成电磁波。电磁波是电磁场的运动形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律可由麦克斯韦方程组来表述。
20世纪以来，电磁理论及雷达、天线、微波器件、射频电路等技术发展迅猛，电磁场应用已经涉及通信、遥感、导航、探测、成像、生物医学、天气预报、航空航天等众多领域。民用多在手机终端、无线通信、射频识别(RFID)技术等领域；军用则涉及国家安全、军事装备的方方面面，例如雷达、导航、卫星等。通信是公民的基本权利，也是物物相联(物联网)的基本方式，有通信存在及需要的地方，无论海、陆、空、天，就有电磁场及电磁波技术出现。如今，随着电子技术、计算机及信息科学的发展，电磁理论及工程技术也正面临着更多的挑战，新型研究领域不断涌现，例如毫米波及亚毫米波技术、微波单片集成电路、智能天线、可穿戴设备、新型人工电磁材料、计算电磁学、电磁兼容、太赫兹技术、生物电磁学等。
1.电磁场理论的建立与发展
据《黄帝内经》记载，中国人在公元前2700年就开始了对宇宙的研究，并且认识到地球磁场的存在。公元前4世纪，中国人发现了磁石吸铁现象，并在公元初制造出了世界上第一个指南针。1600年，英国人吉尔伯特出版了名著《论磁》，介绍了对磁学的研究，成为历史上第一个对电磁现象进行系统研究的学者。
1733年，法国人迪费发现所有物体都可摩擦起电，还认识到同性电荷互相排斥，异性电荷彼此吸引。1747年，美国的富兰克林定义了正电和负电，并总结出了电荷守恒定律。1780年，伽伐尼发现了动物电;1785年，法国物理学家库仑借助扭秤实验得出静电作用和磁极之间的平方反比关系，这一定律使电学和磁学进入了定量研究的阶段。
1800年，伏打发明电堆。在此基础上，1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。同年，在电流磁效应的启发下，法国物理学家安培通过实验总结出了安培定律。也是在1820年，法国物理学家毕奥和萨伐尔通过实验总结出了毕奥-萨伐尔定律，并在数学家拉普拉斯的帮助下给出了数学表示公式。人们认识到了电学与磁学的联系，从此开始了电磁学的新阶段。电流磁效应的发现，还使得电流的测量成为可能，1826年，欧姆据此确定了电路的基本规律—欧姆定律。1823年，斯特金发明了电磁铁。1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，证实了电现象与磁现象的统一性，并制造出了第一台发电机，开创了能源开发与利用的新时代。1837年，摩尔斯发明有线电报，人类开始了电通信阶段；1861年，贝尔发明了电话。人类在19世纪末实现了电能的远距离输送，电力的广泛应用直接推动了世界第二次工业革命。
1855—1873年，麦克斯韦在继承和发展库仑、高斯、欧姆、法拉第、安培、毕奥、萨伐尔等人思想和观点的基础上建立了电磁场理论体系。
1855年，麦克斯韦在第一篇重要论文《论法拉第的力线》中，引入了一种新的矢量函数来描述电磁场，由该函数的各种微分运算，推导出电流的力线与磁力之间的关系，通过矢量微分方程表示出电流和磁场之间的定量关系，以及电流间的作用力和电磁感应定律的定量公式。他将法拉第的力线由一种直观的概念上升为科学的理论，法拉第大为赞扬:“我惊讶地看到，这个主题居然处理得如此之好!”
1861—1862年，麦克斯韦发表了第二篇重要论文《论物理力线》。在论文的第一部分，他设计了电磁作用的力学模型，讨论了磁体之间、能够产生磁感应的物质之间以及电流之间的作用力。在论文的第二部分，麦克斯韦设想了一个“分子涡旋和电粒子”模型，讨论了电磁感应现象。在论文的第三部分，麦克斯韦将他的涡旋假设用于静电现象，并引入了“位移电流”的概念，由此得到了两个惊人的结论:导体周围的电粒子可以做弹性位移；变化的电流能够以一定的形式进入导线周围空间。在论文的第四部分，麦克斯韦重新讨论了磁光效应。
1864年，麦克斯韦发表了第三篇重要论文《电磁场的动力学理论》。他明确地提出了电磁场的概念，认为电磁场可以存在于物质及真空之中，并对电磁场的能量做了定量计算，导出了电磁场能量密度公式和总能量方程。随后，麦克斯韦根据电磁学的实验定律和普遍原理建立了电磁场方程，包括电位移方程、电弹性方程、全电流方程、磁力方程、电流方程、电动力方程、电弹力方程、电阻方程、自由电荷方程、连续性方程等20个方程。1865年，他把电磁近距作用和电动力学规律结合在一起，用方程组概括了电磁规律，建立了电磁场理论，并预测了光的电磁性质，继牛顿力学之后，物理学实现了第二次理论大综合。
1873年，麦克斯韦出版了科学名著《电磁学通论》，系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。他提出了“涡旋电场”和“位移电流”假说，预言了电磁波的存在，计算出了电磁波的传播速度，从理论上证明了光是一种电磁波。1888年，德国物理学家赫兹在实验室实现了电磁波的发送和接收，证明了电磁波具有反射、折射、干涉、衍射等性质，并验证了麦克斯韦理论。至此，物理学实现了电、磁、光的综合，即第三次理论大综合，为近代电力工业和无线电通信的发展奠定了理论基础。
电磁场理论是19世纪物理学中最伟大的成就，爱因斯坦在纪念麦克斯韦100周年诞辰时说，这是继牛顿力学之后物理学史上又一次划时代的伟大贡献。在历史上，赫兹对电磁场理论的贡献也举足轻重。他不仅证实了电磁波的存在，使得电磁场理论被普遍接受，还重新推导和论证了麦克斯韦理论中的静态电磁学基本方程组，整理了基本概念并消除了混乱。另外他还建立了运动物体的电磁学基本方程组，引申和拓展了麦克斯韦电磁场理论。1890年，赫兹给出了麦克斯韦方程组简化的对称形式，包括四个矢量方程，其基本形式一直沿用至今。
电磁场理论的建立标志着电磁学的发展进入了一个新阶段，为电工、电子和电能等技术的产生、应用及发展提供了强劲支撑，对人类生产实践和社会进步起到了巨大的推动作用。电磁场理论使人们认识到“场”是物质存在的一种形式；发电机和电动机的发明，实现了机械能和电能间的相互转化，使人类生活方式从机械化变为电气化。1893年，美国物理学家特斯拉发明了无线电信号传输系统，1895年他又发明了电振荡发生器。1895年，俄国物理学家波波夫发明了无线电收发报机。同年，意大利物理学家马可尼成功地利用电磁波进行了通信试验，开创了无线电波应用的新纪元。
2.电磁场理论在现代科学技术中的应用
现代科学技术的许多方面都与电磁场，尤其是高频电磁场有关。电子信息系统都以电磁波来传递信息，电磁场理论已经应用到了通信、雷达、物探、电磁防护、电磁兼容、医疗诊断、战略防御、工农业生产和日常生活的各个领域。
历史上最初用铜线传输电能与信号，产生了电工类的多个行业。后来采用波导传输线传送微波信号，开创了雷达、通信、导航等应用技术。目前利用光纤进行通信系统的信号传输，更是一次革命性的发展。光纤传输具有容量大、低损耗、体积小、重量轻等特点，光器件也在迅速发展并投入应用。随着通信技术的发展和网络的普及，光端机将很快会成为家庭和办公场所信息传输必备的设备。红外技术、毫米波技术、激光技术的发展，显示了它们在工业、国防、交通运输、医疗等领域的广阔应用前景。全息图像技术、遥感技术、射频识别技术、太赫兹技术的完善及应用也是当今发展的主要热点。外层空间太阳能发电、电力传输、卫星通信与跟踪等技术的发展也都与空间电磁波应用密切相关。
在近代通信发展史上，1899年，美国的柯林斯达造出了第一个无线电话系统；1906年，费森登在美国建立了第一个无线电话发射台；1908年，英国的肯培尔等提出电子扫描原理，奠定了现代电视技术的基础。1919年，英国建立了第一座无线电台；1921年，人类实现了短波跨洋传播；1925年，英国的贝尔德发明了第一台实用电视机；1930年，微波通信实现；1938年，电视广播开播；1958年，人类发射第一颗通信卫星；20世纪70年代，移动通信系统和终端设备出现；1982年，国际海事通信组织开通由四颗地球同步卫星组成的国际海事卫星电话(INMARSAT)系统，实现了全球移动通信；1999年，国际卫星组织发射电视直播卫星，应用于高速信息公路。20世纪90年代，蜂窝电话系统开通，光纤通信迅速发展，无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)、无线传感网(WSN)等各种无线通信标准的技术和制式不断涌现，并且共同存在、相互补充。信息技术发展日新月异，随着大数据、云计算和物联网加速渗透与融合，第五代移动通信(5G)加速商用，人工智能(AI)加速成熟，社会经济正在向数字化、网络化和智能化加速发展。2019年，我国5G低频段(Sub-6GHz)已经开始商用，并且已批准了24.75~27.5GHz和37~42.5GHz的毫米波5G频谱作为实验频段。基于大规模MIMO的5G毫米波技术趋于成熟，预计于2022年开始商用。第六代移动通信(6G)的研究也已启动，6G将是一个由大量中低轨卫星与地面5G融合的网络，从而使得人类第一次实现对整个地球表面及其近空间全覆盖，6G将是人类移动通信历史上的一次革命。
继微波技术应用于雷达、通信之后，在20世纪中叶微波加热技术开始用于工、农业生产。目前微波技术已在食品、材料、塑料、陶瓷、医疗领域得到广泛普及和应用，例如微波加热与烘干、微波与激光治疗、微波消毒等。
将电磁学原理和计算方法应用到生物医学工程领域，出现了如骨电磁重建、核磁共振成像、X射线层析成像、数字减影造影等，提供了电磁场用于组织损伤和临床应用的理论基础。电磁式生物芯片技术有效地将电场和磁场的作用结合在一起，通过计算机可控制芯片上任一点的生化反应，可用于医疗中的早期诊断。电磁仿生技术则是基于仿生机制和模型的新型电磁防护模式，将生物系统的构造和生物活动的过程、机理恰当地运用并融合至电磁防护领域。
电磁场可用于各种材料的加工过程，实现对过程的控制，达到材料组织和性能改善的目的，在材料科学研究和加工中得到了广泛应用。电磁处理具有无污染、操作方便和效果显著等优点，受到了人们的高度重视，已逐渐成为金属材料熔炼、熔体提纯、组织细化、控制熔体凝固与成型以及制造复合材料的一种重要手段。
20世纪初以来，电磁法勘察广泛应用于工程地质勘探中。目前正在开发和研究利用大功率人工电磁场源的电磁法勘探方法。电磁法正在成为既能在地面观测，又能在空间观测，实现立体、四维探测的地球物理方法，并广泛应用于地壳上地幔深部结构探测，可为地壳、岩石圈结构、演化和动力学研究提供重要数据，其研究和应用前景非常可观。
电磁感应无极灯综合运用了功率电子学、等离子学、磁性材料学等领域的最新科技成果，是近几年国内外电光源界着力研发的高新技术产品。它不设电极，通过以高频感应磁场的方式将能量耦合到灯泡内，使灯泡的气体雪崩电离形成等离子体，再辐射出紫外线，灯泡内壁的荧光粉受紫外线激发而发出可见光。这种新光源的寿命理论上可达10万小时，是高压钠灯与带电极荧光灯的10倍以上，且光通量不易衰减。无极灯还可采用智能控制技术实现自身调光控制以节约能源。
左手材料是介电常数和磁导率同时为负的一种人工电磁材料，具有负相速度、负折射率、反常切伦科夫效应、逆多普勒效应等多种奇异特性。在2000年后，人们设计出了各种左手材料结构单元，能够实现平板聚焦、天线波束汇聚、完美透镜、超薄谐振腔、后向波天线、微波器件小型化、电磁波隐身等功能，在光学、材料、微波、微电子、通信、医学、国防等领域有着巨大的潜在应用价值。
太赫兹是连接微波和光波之间的一个频带(0.1~10THz)，具有瞬态性、宽带性、低能性、相干性及强穿透性等特点。太赫兹对于皮肤等人体组织有很强的穿透能力而不会对人体组织造成损害，而且是热辐射中十分丰富的辐射频段，在生物、遥感、检测、热成像等领域的应用前景十分广阔。太赫兹频段左手材料的实现将与成熟的太赫兹光源、探测器一起，对太赫兹技术的工业推广起到十分积极的影响。
随着第三次科技革命的发生，军事和国防领域越来越多地受科技因素的影响，甚至使传统武器装备发生了革命性的变化。电子对抗技术便是利用专门的设备和器材，以电磁波为武器阻碍对方电磁波信号的发射和接收，保证己方信号的发射和接收。电磁炸弹是一种能释放出γ射线的高频率电磁波炸弹，γ射线通过冲击大气层内的氧气和氮气，可以制造出高电压的电磁脉冲，其能量在扩散时可被电子设备吸收，使得电子信息系统被摧毁。电磁枪、电磁炮是运用电磁力加速弹丸的电磁发射装置，电磁炮可用于摧毁空间的卫星和导弹，还可以拦截由舰只和装甲车发射的导弹。激光武器可以利用激光束来直接攻击敌方目标。采用微波产生热量的“热枪”武器，可使人体体温升高至40.6~41.7℃，让敌人不舒服、发烧甚至死亡。使用频率非常低的电磁辐射，还可以使人及动物处于昏迷状态，达到作战效果。电磁波无线传能技术使传统的飞行器推进技术发生变革，加拿大科学家已试制出世界上第一架无人驾驶的微波飞机，实现了无油空中飞行。美国也研制出以微波为动力的大型无人驾驶飞机。据报道，日本正在研究利用微波向宇宙飞船输送电能。另外，通过采用隐形材料和隐形设计，可以制造出隐形飞机，躲过雷达探测。
随着现代科学技术的发展，电子、电气系统的应用越来越广泛。大量的电子、电气设备发射和辐射的电磁能构成了极其复杂的电磁环境，出现了电磁干扰和电磁污染，从而诞生了电磁兼容这门学科。现代电磁场工程中，高频电磁场问题的主要特点是电磁系统具有高度复杂性。随着电子设备工作频率的不断升高，小结构变成了电大尺寸，电磁兼容得到了越来越高的重视。
计算机技术的飞速发展为复杂电磁工程问题的数值计算提供了有效的解决途径，由此出现了计算电磁学这门学科。计算电磁学主要包括矩量法、时域有限差分法、有限元法等。并且它与射线跟踪法等高频近似的方法相互结合，还出现了一些混合数值计算方法。
现代科学技术表现出学科交叉融合发展的趋势，例如，电磁场、无线技术与其他学科的相互融合，形成了微波集成电路、智能天线、电磁兼容与环境电磁学、生物电磁学、材料电磁学、地震电磁学、太赫兹技术应用等新兴边缘学科。电磁理论的发展促进了科学技术的进步，例如，我国研制的世界最大单口径射电望远镜(FAST)，能够帮助人类探索宇宙起源、星际物质结构、对暗弱脉冲星搜索、地外理性生命搜索等，在未来20~30年将保持世界一流的地位。我国自主研发的电磁弹射系统处于世界领先地位，已经实现了舰载机的弹射起飞和电磁阻拦降落，系统成熟度高、性能稳定可靠。我国的北斗卫星系统和载人航天技术也处于国际先进水平。在科学技术和新型学科发展的推动下，电磁场理论及微波技术也正在以其独特的魅力不断地丰富和发展。
人类社会开始从物理世界向虚拟世界延伸，伴随着智能体的大量出现将形成智联网(智能体互联网)，信息服务、信息产品和信息消费将升级成新格局，生产生活方式面临重构。智联网可实现人与智能体，以及智能体之间的互联、交互和协作；虚拟空间则可以帮助人类摆脱物理空间的约束，极大地扩展人类的精神空间，推动社会结构的多元化发展；而AI与虚拟空间技术的融合会带来智能空间形态，基于信息物理系统和人机接口技术，实现物理空间和虚拟空间的深度融合，将深刻改变人类的生活和生产方式。
【作者：张洪欣 编辑：古雪】
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