從小到大我們都跟電打交道，電無所不在，不管你用手機、電腦等電子產品，還是日常生活中各種電器，都離不開電。其實你人本身也是帶電的，比如你神經反應的信號傳遞，靠的也是電。有了電，就離不開場了，電磁場與電就跟人有影子一樣，伴你始終，不離不棄。我們活在電子信息時代，現在幾乎所有的信息都考電來傳播交換，它是信息的載體。不管你是在用電腦插上網線還是用手無線上網，你看到的文字圖片都是通過電信號來傳遞的。

我想，對於普通人，最好奇的莫過於手機打電話這個過程了。因為它不需要與任何東西連接，任何中間媒介，竟然能跟遠在萬里之外的親朋好友語音視頻通話。這簡直如同西遊記裡面魔法！人類真的有魔法嗎？答案當然是否定的。人類自己本身是無法有這麼大本領的，但是人類卻能夠利用外物，來為我所用，只有我們了解掌握了該事物的原理，我們就能操控它，為我們服務。對，手機打電話過程，就是我們就是利用了變化著的電磁場，也叫電磁波。電磁波的變化快慢用頻率來表示！下圖為不同頻率範圍內的電磁波有不同的名稱，包括我們見到的光，地鐵口安檢X射線也是一種電磁波。

圖 1 不同波段頻率範圍，以及波長尺寸，我們平常叫法，他們本質都是電磁波

那麼電磁波又是怎樣的產生的呢？帶電物體不動，那麼它的周圍空間存在靜電場。電子是電場的源頭，當電子運動，它的周圍的場也會跟著變。而變化的電場會產生磁場，變化的磁場又會產生電場，兩者相互耦合環環相扣，如此電磁波就產生了，並且以每秒30萬公里的速度一起奔向遠方。 由於靜電場在空間的幅度都不雖時間變化，所以靜電不會產生磁場，兩者不能相互感應激發，所以也不能相互幫助向周圍空間擴散傳播了。

知道了電磁波是變化著的電磁場，那麼有人說到底什麼是「場」？其實我也不知道，這個問題應該問物理學家，也許是我們描述超距作用一種物理模型，也許是物質的一種存在形式.......反正好多種說法。來讓我們聽其他人的對電磁場的解釋吧！

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通過麥克斯韋方程組，我們可以得知即便沒有實物，佔據空間的電磁場本身就具有能量、動量、角動量等傳統實物的「物質」屬性。充斥著電磁場的空間有能量、動量和角動量的存在。電磁場通過與實物的相互作用還能把能量、動量和角動量傳遞到實物中去。這樣我們就不得不把電磁場當成是物質中的一種了。

麥克斯韋運用他的方程組推導出電場和磁場互相激發從而產生電磁波。假設有限的空間內沒有電荷，如果空間中瀰漫著一個變化的磁場，就必然能夠激發出一個電場，如果這個激發電場也不穩定，那麼它還會激發出新的磁場。磁場和電場間不停地互相激發。麥克斯韋通過數學運算證明了這種電磁場的互相激發會傳播到遠處，傳播速度正好是光的速度c。

作者：Courser

鏈接：電磁場的本質是什麼？ - Courser 的回答 - 知乎來源：知乎

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知道了場，電磁場、電磁波是怎麼回事！那麼我們是怎樣控制利用電磁波的呢？ 就像牛頓三大定律，規範了整個宏觀物體的運動規則,大到天體星球，小到一隻毛毛蟲。同樣，在電的世界中，麥克斯韋方程組規範了電磁場在空間物質中傳播規律。現今為止，人類還沒有發現什麼電和磁現象違背了麥克斯韋方程組的。從麥克斯韋方程組可以導出低頻電路中最基礎的兩個定律：基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律，其實這兩個定律是能量守恆和電荷守恆在電路系統中的體現。往高頻光波段，麥克斯韋方程組可以導出幾何光學。不管是電路理論還是射線光學，它們都是麥克斯韋方程組在一定條件下的近似方法，因為採用近似不僅可以滿足工程實際要求，同時可以極大的簡化求解過程，因為真正用麥克斯韋進行全波求解，雖然理論上可以得到更為精細的結果，但實際很多時候不可行。因為求解麥克斯韋方程組，特別是遇到各種複雜邊界條件問題時，計算往往很複雜，並且涉及到多門數學領域，比如微積分、數理方程，複變函數，泛函分析，矢量分析，場論等等。所以對一個人的數學功底有相當大的要求。同時這些解析求解法也只在遇到一般規則形狀系統中可以到得比較有意義的結果，比如矩形波導，圓波導、橢圓波導。但是在實際生活中，物體邊界往往是無規則的。我們只能求助計算機了，要讓計算機能求解各種場，我們必須開發出多種求解偏微分方程數值演算法，比如有限元、有限差分演算法，快速多極子演算法、有限積分法。現在在計算機模擬各種電磁問題發揮重大作用，比如我國現在最尖端的戰鬥機殲20的氣動布局，不僅涉及空氣流體力學，同時也必須考慮雷達散射截面電磁問題，因為這與隱身性能息息相關，甚至涉及到熱學場，因為高速飛行物體與空氣摩擦會產生高溫，所以這是個多物理場聯合求解問題，其實就是求解偏微分方程組了。

圖 3 國防利器——J20，棱形機頭，機身塗有吸波材料，武器內置，機身外形平 滑，武器和起落架艙門鋸齒狀，都是為了降低電磁波反射，使雷達無法發現 目 標，達到隱身目的。

這些演算法最後都化簡成一個超大矩陣，我們一般個人桌面計算機可以求1000000*10000000的矩陣，在超級計算機中網格數往往可以達到上億，那麼就是求解1億*1億這麼個矩陣，這需要有大量內存來存儲中間變數，並且開發出高效並行演算法，這在天氣預測，大型客機比如C919的設計過程，都需要藉助超級計算機的強度的計算能力了。在這發明計算機之前，靠人類手工是永遠無法完成的計算量了。

我們信息是怎樣通過電磁波傳送的？

我們知道，運動的電子周圍會產生電磁波，向周圍傳播。電子的運動狀態不同，那麼它周圍產生的電磁波的特性就不同。我們用信息去控制電子的運動過程，那麼就反應到它周圍場變化特徵上。就好比你用手在平靜水面撥動，手來回撥動的幅度和快慢，必然就會反應到手周圍形成的水波紋上，比如水波紋幅度，波的疏密，如果用手不同撥動幅度或者快慢來代表不同的意思，那麼我們的信息就會反映到水波紋上，我們只要再檢測水的波紋特點，就知道代表什麼意思了。所以，我們信息也是通過控制電子運動快慢大小幅度，來控制它周圍電磁波波形。那麼怎麼控制電子運動狀態呢？我們知道，電流是電子在導線上定向運動產生的，所以控制電子運動，其實就是控制導線電流。當然，我們的信息也不是直接是我們看得見的文字圖片等，我們首先要對信息進行編碼，在計算機的世界裡統統需要把它編碼成0和1的組合。因為計算機只識別0和1，其實插上電，它們代表兩個不同的電壓值，一般是0伏（代表0）和5伏（代表1，現在手機或筆記本電壓會更低，可以節能）。至於這些信息怎麼編碼，有各種編碼理論（很偏數學的研究領域），各種不同的編碼格式，所以也需要各種編碼相關的協議大家一起遵守。編好了碼，這些編碼信息（各種電信號）控制電路裡面電流的幅度和相位，再把這些被調製的電流饋送到天線，通過天線，產生電磁波信號被發送出去。同樣的，在接收端，天線也能接收電磁波，因為電磁波可以在金屬導線上產生感應電流。所以只要發射和接收兩邊約定好，遵守同樣規則，這就是各種通信協議了，我們就能在接收端能夠還原出原來的信息了（接收就是發射的逆過程）。當然，載有信息的電磁波在實際傳播過程中，會遇到各種干擾，比如其他手機，無線電設備，雷達、等各種電磁干擾，你原來的信息傳了一段距離就變樣了，到了接收端已無法辨認。就像一個房子里有一大堆人講話，你的耳朵壓根無法分辨出你想聽的那個人聲音，那麼怎樣解決這種問題，這就涉及到通信裡面的各種抗干擾技術，這也是無線通信領域研究的一個主要問題之一，限於篇幅，這裡不展開介紹了。

發射和接收電磁波的神器-天線

若要說歷史上最重要的三個物理學家，肯定是愛因斯坦、牛頓和麥克斯韋了。但是麥克斯韋當初思想核心麥克斯韋方程組，由它可以預言光也是一種電磁波，同愛因斯坦的相對論一樣，當時並沒有沒有多少人認同。因為那時候學術界里，還是牛頓的光粒子學說佔主導地位。直到20多年後赫茲證明了電磁波的存在，人們才開始認識到麥克斯韋工作的重要性。但是赫茲雖然發明了一個簡易的天線，但是該裝置並沒有走出實驗室。直到馬可尼，把無線電進行商業應用，發明了調諧電路（獲了諾貝爾獎）人們把它奉若神明，加之「泰坦尼克號」海難事件，極大顯示出了無線電在海事上的巨大應用價值，因為之前在茫茫大海上的船舶，當發生災難時，陸地上以及相鄰的船舶都無法被告知。所以無線電是上個世紀最偉大的發明之一了。

天線作為無線電系統電磁波關鍵設備之一，它的急速發展歸功於二戰中對防控預警雷達的需求，一群頂級物理學家紛紛轉過來研究雷達系統，我們現在的微波技術理論基礎都是那時候後奠定的（麻省理工學院輻射實驗室），並且好多物理學家在戰後又重新回到物理研究得了諾貝爾獎。現在可簡單了解一下各種天線系統，其實天線的類型種類繁多，並且越來越複雜。

防控預警雷達：

圖 4 美國鋪路爪長程預警雷達。30多米高 ，監視戰略導彈、核潛艇發射的彈道導彈，它可以探測導彈的彈道、發射點，計算出彈著點的位置，來提供彈道導彈來襲的預警情報；同時，它也可以用於太空目標的監視，比如監視和探測衛星這些空間目標。

手機天線

圖 5 手機電路板裡面的天線有很多，因為現在的手機，不僅要連接移動網路，還有WIFI，藍牙，GPS等，都需要不同的天線！並且還有支持多個運營商，2G/3G/4G 網路制式，所以裡面天線射頻基帶等電路非常複雜。

500米口徑球面射電望遠鏡（世界最大的反射面天線，坐落在中國貴州）

圖 6 它的主要功能：

1、FAST有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，重現宇宙早期圖像。

2、能用一年時間發現數千顆脈衝星，建立 脈衝星計時陣，參與未來脈衝星自主導航和引力波探測。 3、主導國際甚長基線干涉測量網，獲得天體 超精細結構。 4、進行高解析度微波巡視，檢測微弱空間信號。

5、參與地外文明搜尋。

6、參與子午鏈工程，提高非相干散射雷達雙機系統性能。 7、將深空通訊能力延伸至太陽系外緣行星，將衛星數據接收能力提高100倍

天線的種類太多，還有衛星，飛機，移動基站等各種設備的天線，不一而足。這裡僅僅舉幾個例子，並且天線從它的誕生到現在已近一百多年了，到現在依然是個非常重要的的研究領域！（清華電子工程系微波所老師基本都研究天線）隨著5G通信，物聯網即將到來，它的熱度將持續下去。

電磁學的理論基礎其實一百多年前就被麥克斯韋搞定了，以後關於各種無線電系統的開發，都屬於應用電磁學問題。由於電磁波的應用非常廣泛，如今社會隨地隨時可看到它的身影，幾乎無處不在，本文也只對它進行簡短介紹，對電磁波有個粗糙的認識。如果在IEEE資料庫檢索關於這方面的學術論文，簡直汗牛充棟。並且會發現，越是比較老的文獻，都具有理論推導，越是靠近後期，理論部分文獻越來越少，取而代之的是各種電磁模擬。所以上一輩人從事微波技術領域，都有強悍的理論分析能力，會推導公式。如今越來越依賴電磁模擬軟體，理論推導分析能力確實不如上一代了。當然，電磁場公式計算一般都比較複雜，推導一個結果往往需要花費數天時間，對數學能力有相當大的要求，所以學習門檻也很高。

麥克斯韋方程組由四個等式組成，每組可以寫成兩種形式，微分形式和積分形式，每組其實都對應一個電學定律。四組只有其中三個方程是獨立的，另外一組可以通過其它三種推導出來（其實麥克斯韋自己原本的方程等式20多個，因為他都是用標量場表示的。後來被一個低調大牛奧利弗·亥維賽給寫成如今常見的形式，不僅簡潔而且物理概念清晰明了） 不管以後遇到什麼樣的電磁問題，我們都可以從它出發，計算出我們想要的結果出來。說白了，一百年以來，從事微波領域的人，都在研究著在不同的條件下，怎麼去解這個方程而已。

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