电场和磁场
前 言
运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导
体有力的作用，这种物质称为 磁场 。不随时间变化的磁
场称为 恒定磁场 。
静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，
这种场称为 电场 。不随时间变化的电场称为 静电场 。
如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场
及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可
以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的 时变电
磁场 。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在
空间形成了 电磁波 。静电场与恒定磁场相互无关、彼
此独立，可以分别进行研究。因此，本书先讨论静电
场和恒定磁场，然后再介绍时变电磁场。
电磁波
物质属性
电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传
播无需依赖于任何媒质。在没有物质存在的真空环境
中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加, 自
由, 。因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常
被称为, 自由空间, 。
电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存
在的一种物质，因为它具有物质的两种重要属性, 能
量 和 质量 。但是，电磁场与电磁波的质量极其微小，
因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。
当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会
发生 极化 与 磁化 现象，结果在媒质中又产生二次电场
及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场
与媒质的 相互作用 现象。为了研究方便起见，我们先
介绍真空中的电磁场，然后再讨论媒质中的电磁场。
场与媒质
电荷 及 电流 是产生电磁场 惟一 的源。至今，人们
尚未发现自然界中存在磁荷及磁流。然而，有时引入
磁荷及磁流的概念是十分有益的，但是，它们仅是 假
想的 。研究场与源的关系是电磁理论的基本问题之一。
我们将要详述场与源，以及场与媒质之间的关系，并
且给予严格的数学描述。
场与源
历史的回顾
公元前 600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引
微小物体；公元前 300年我国发现了磁石吸铁的现象；
后来，人们发现了地球磁场的存在。 1785年法国科学家
库仑（ 1736－ 1806）通过实验创建了著名的 库仑定律 。
1820年丹麦人奥斯特（ 1777－ 1851）发现了电流产生
的磁场。同年法国科学家安培（ 1775－ 1836）计算了两
个电流之间的作用力。 1831年英国科学家法拉第（ 1791
－ 1867）发现电磁感应现象，创建了 电磁感应定律,说
明时变磁场可以产生时变电场。
1873年英国科学家 麦克斯韦 （ 1831－ 1879）提出了
位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并
以严格数学方程描述了电磁场与波应该遵循的统一规律，
这就是著名的 麦克斯韦方程 。该方程说明了时变电场可
以产生时变磁场，同时又表明时变磁场可以产生时变电
场，因此麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在 1887年被
德国物理学家 赫兹 （ 1857－ 1894）的实验证实。在这个
基础上，俄国的 波波夫 及意大利的 马可尼 于 19世纪末先
后发明了用电磁波作为媒体传输信息的技术。
重大突破
电磁场与波的应用
当今的 无线通信, 广播, 雷达, 遥控遥测, 微波遥
感, 无线因特网, 无线局域网, 卫星定位 以及 光纤通信
等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。
静电复印, 静电除尘 以及 静电喷漆 等技术都是基于
静电场对于带电粒子具有力的作用。
电磁铁, 磁悬浮轴承 以及 磁悬浮列车 等, 都是利
用磁场力的作用 。
世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车
西南交通大学应用超导研究所研制
Stable!
Stable!
磁
场
力
的
应
用
B2 隐形轰炸机
? i ? r
ri ?? ?
反
射
定
律
的
应
用
立 体 电 影电
磁
波
极
化
特
性
的
应
用
全 球 定 位 系 统
Global Positioning System(GPS)
信
息
载
体
的
应
用
美国“未来学家”刊物 2002年底对未来移动世界的预
测：
* 目前移动电话已近 10亿部,2004年 无线 上网
的设备将达到 15亿部。
* 2004年 60%美国人将在工作中使用 无线 设备。
* 2005年全世界 无线 上网的人数将达到 4.8亿。
* 2007年美国 无线 商务用户将达到 9100万。
以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由
此创建了很多分析电磁场与波的 新方法,研制了很多电磁
性能优越的 新材料 。特别是随着大容量的高性能及高速度
计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时
也萌生了计算电磁场与波的新方法，从而形成 计算电磁学
的新学科，它是当今电磁学的重要分支。
相互促进，共同发展
电 磁 单 位
本书采用国际单位制（ SI ）。在电磁学中，这种
单位制的四个基本单位是 长度, 质量, 时间 和 电流强度 。
长度单位为 m（ 米 ），质量单位为 kg（ 千克 ），时间单
位为 s（ 秒 ），电流强度单位为 A（ 安培 ）。
对于正弦电磁场使用的 时间因子 为 e j? t 。
前 言
运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导
体有力的作用，这种物质称为 磁场 。不随时间变化的磁
场称为 恒定磁场 。
静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，
这种场称为 电场 。不随时间变化的电场称为 静电场 。
如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场
及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可
以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的 时变电
磁场 。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在
空间形成了 电磁波 。静电场与恒定磁场相互无关、彼
此独立，可以分别进行研究。因此，本书先讨论静电
场和恒定磁场，然后再介绍时变电磁场。
电磁波
物质属性
电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传
播无需依赖于任何媒质。在没有物质存在的真空环境
中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加, 自
由, 。因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常
被称为, 自由空间, 。
电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存
在的一种物质，因为它具有物质的两种重要属性, 能
量 和 质量 。但是，电磁场与电磁波的质量极其微小，
因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。
当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会
发生 极化 与 磁化 现象，结果在媒质中又产生二次电场
及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场
与媒质的 相互作用 现象。为了研究方便起见，我们先
介绍真空中的电磁场，然后再讨论媒质中的电磁场。
场与媒质
电荷 及 电流 是产生电磁场 惟一 的源。至今，人们
尚未发现自然界中存在磁荷及磁流。然而，有时引入
磁荷及磁流的概念是十分有益的，但是，它们仅是 假
想的 。研究场与源的关系是电磁理论的基本问题之一。
我们将要详述场与源，以及场与媒质之间的关系，并
且给予严格的数学描述。
场与源
历史的回顾
公元前 600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引
微小物体；公元前 300年我国发现了磁石吸铁的现象；
后来，人们发现了地球磁场的存在。 1785年法国科学家
库仑（ 1736－ 1806）通过实验创建了著名的 库仑定律 。
1820年丹麦人奥斯特（ 1777－ 1851）发现了电流产生
的磁场。同年法国科学家安培（ 1775－ 1836）计算了两
个电流之间的作用力。 1831年英国科学家法拉第（ 1791
－ 1867）发现电磁感应现象，创建了 电磁感应定律,说
明时变磁场可以产生时变电场。
1873年英国科学家 麦克斯韦 （ 1831－ 1879）提出了
位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并
以严格数学方程描述了电磁场与波应该遵循的统一规律，
这就是著名的 麦克斯韦方程 。该方程说明了时变电场可
以产生时变磁场，同时又表明时变磁场可以产生时变电
场，因此麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在 1887年被
德国物理学家 赫兹 （ 1857－ 1894）的实验证实。在这个
基础上，俄国的 波波夫 及意大利的 马可尼 于 19世纪末先
后发明了用电磁波作为媒体传输信息的技术。
重大突破
电磁场与波的应用
当今的 无线通信, 广播, 雷达, 遥控遥测, 微波遥
感, 无线因特网, 无线局域网, 卫星定位 以及 光纤通信
等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。
静电复印, 静电除尘 以及 静电喷漆 等技术都是基于
静电场对于带电粒子具有力的作用。
电磁铁, 磁悬浮轴承 以及 磁悬浮列车 等, 都是利
用磁场力的作用 。
世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车
西南交通大学应用超导研究所研制
Stable!
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磁
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力
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应
用
B2 隐形轰炸机
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用
立 体 电 影电
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应
用
全 球 定 位 系 统
Global Positioning System(GPS)
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的
应
用
美国“未来学家”刊物 2002年底对未来移动世界的预
测：
* 目前移动电话已近 10亿部,2004年 无线 上网
的设备将达到 15亿部。
* 2004年 60%美国人将在工作中使用 无线 设备。
* 2005年全世界 无线 上网的人数将达到 4.8亿。
* 2007年美国 无线 商务用户将达到 9100万。
以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由
此创建了很多分析电磁场与波的 新方法,研制了很多电磁
性能优越的 新材料 。特别是随着大容量的高性能及高速度
计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时
也萌生了计算电磁场与波的新方法，从而形成 计算电磁学
的新学科，它是当今电磁学的重要分支。
相互促进，共同发展
电 磁 单 位
本书采用国际单位制（ SI ）。在电磁学中，这种
单位制的四个基本单位是 长度, 质量, 时间 和 电流强度 。
长度单位为 m（ 米 ），质量单位为 kg（ 千克 ），时间单
位为 s（ 秒 ），电流强度单位为 A（ 安培 ）。
对于正弦电磁场使用的 时间因子 为 e j? t 。
