当观察到电子排斥其他电子但吸引质子时，“电场”的概念就出现了。这种吸引-排斥实际上在电子或质子发现之前就已经存在了。早期的测量研究了物体在用布或毛皮摩擦后碰巧获得过量或缺乏电子的力。如果两个电子相距一厘米，每个电子将受到 2.3 x 10 -24 克当量的排斥力。将分离距离加倍会将力减少到四分之一。将一侧的电子数量加倍将使作用在另一侧的孤立电子上的排斥力加倍。大多数物质是中性的，因此它含有相同数量的质子和电子。然而，有时电子会被有意或无意地从一个物体上移走，并沉积到另一个物体上。如果质子（或其他带正电的物体）放置在这两个带电物体附近，质子将被具有多余电子的负物体吸引，同时被缺少一些电子的正物体排斥。作用在质子上的总力是质子所暴露的电场的量度。作用在质子上的力的方向与电场的方向相同，力的强度与电场的强度成正比。（作用在质子上的力，以克当量为单位，乘以 6 x 10 16，得到以伏每米或 V/m 为单位的电场。）如果用电子代替质子，则力将为电场强度相同但方向相反。如果用两个“绑”在一起的质子代替单个质子，它们将受到两倍的总力。（图。1）

如果电池的端子连接到两个大金属板（图2），+板将失去一些电子，这些电子将通过电池流向-板。

因此，电池充当电子“泵”，最终在极板之间建立电场（质子将被吸引向 - 极板并被 + 极板排斥）。该电场的强度等于电池电压除以极板之间的距离（通常以米为单位）。例如，如果电池为 1.5 伏，间距为 1 米，则电场为 1.5 伏/米 (V/m)，但如果间距减小到 1/2 米，则电场增加到 3 V/m m，如果将单个质子放置在中心，它将受到的力加倍。放置在图 2 的板之间的任何带电粒子如果带正电，则将受到向下的力；如果带负电，则将受到向上的力。如果如图 2 所示将导电体（例如一块金属或一杯盐水）放置在板之间，导体内的带电粒子将快速移动一点位置，到达所示的最终位置。所有导电体都含有可以自由移动的带电粒子。在金属中，这些粒子是来自原子外部的电子。在盐水等导电液体中，导电颗粒称为离子：带正电的钠原子和带负电的氯原子，它们可以在水中移动。带电粒子改变位置只是因为它们对电池和金属板的电场做出响应。将导电体放置在板之间后不到一秒，带电粒子就停止移动，静止在所示的最终位置。讽刺的是，这正是在导电体内产生零电场所需的电荷配置。（请注意，导电体的顶部为 -，底部为 +，这意味着向上的电场，而极板则试图产生向下的电场。在导电体内，向上和向下的电场相互抵消.) 因为导电体内现在不存在电场，所以内部带电粒子已停止移动并且结构稳定。

如果电池随后反向重新连接到极板，图 2 中的所有电荷都会重新定向，使得 - 和 + 最终在不到一秒的时间后互换。电荷的移动被定义为电流，因此在这段短暂的时间内，导电体中的电荷会重新定向，从而产生电流。在所有其他时间（当电荷稳定时），导电体中没有电流流动。因此，除了外部电场变化期间外，导电体内部没有电流流动，也不存在内部电场。

与电场不同，磁场不是基本的，也就是说，如果将爱因斯坦狭义相对论的原理应用于电力，磁力的概念不是单独的力，而是直接由电力产生。具体来说，如果两个电子彼此平行运动，电力使它们相互排斥，因此它们之间的距离逐渐增大。这种分离增加的速度并不像仅通过电斥力所预测的那么高。有某种东西可以阻止电子尽可能地相互排斥，并且电子行进的速度越快，这种排斥力就越小。

事实上，如果电子的运动速度略低于光速，它们几乎不会相互排斥。对该系统的分析（包括相对论效应）表明，运动电子之间的排斥力与静止电子之间的排斥力之比为(lV l  x V 2 /c 2 ) : l。这里V 1 和V 2 是两个电子的速度，c 是光速。V 1  x V 2 /c 2 项充当吸引力（因为它减少了排斥力）。该术语代表电子之间的磁力。如果两条平行线都携带电流（即电子流），磁力会导致两条平行线相互吸引。尽管事实上电线通常是电中性的，因此电线之间通常不会发生直接的电排斥（或吸引力）。两根 40 英寸（100 厘米）长、相距 1 厘米并承载 1 安培电流的平行电线将因磁力而以 0.002 克当量的力相互吸引。如果任一导线中的电流加倍或间距减小到 1/2 厘米，则力将加倍。如果其中一根电线中的电流方向相反，力将变得排斥，但仍保持相同的强度。

据说第一根导线中的电流会产生作用于第二根导线中的电流的磁场。以类似的方式，第二根导线也作用于第一根导线。吸引力是相互的；第一根导线吸引第二根导线的力与第二根导线吸引第一根导线的力相同。导线所受到的磁力大小与导线所承受的磁场强度乘以导线长度再乘以导线所承载的电流量（以安培为单位）的乘积成正比。与磁场的方向相比，力的方向有些出乎意料；它与磁场方向和电流方向均成直角（图 3）。

除了受到磁场的影响外，承载电流的电线还会产生磁场（但是，由于电线自身产生的磁场，电线不会受到任何总力）。如果电线很长，则场强在距离电线一半的距离处增加一倍，在四分之一距离处场强增加四倍。场的方向如图4所示。

载有 1 安培电流的电线在一厘米远的地方会产生 0.00002 特斯拉或 200 毫高斯 (mG) 的磁场。两厘米处，视野将是一半。承载电流的线圈以及条形磁铁会产生图 5 所示的经典磁场模式。（条形磁铁由需要电流“帮助”来实现和维持磁化的材料制成。）

从技术上讲，特斯拉和毫高斯被称为磁通密度单位，而不是磁场强度单位，但区别并不重要。在一些流行的插图中，箭头（图5）连接起来形成连续的“力线”，但这是一个误导性的概念。磁场并不像大气风有时沿着“急流”集中那样集中在某些“线”上。当人们远离磁铁时，条形磁铁的磁场强度会平稳减弱，甚至远离磁铁。图5仅仅示出了磁场恰好指向磁体附近的几个任意选择的点的方向。

线圈型电磁体具有类似的磁场模式（图 5）。对于条形磁铁和电磁体来说，磁场都源自围绕磁铁循环的电流。某些类型的金属；铁、钢、镍和钒；在内部产生这种循环电流，无需电池或电线（电磁体需要）的帮助。这些金属被称为铁磁体，它们的单个外层电子由于电子轨道而各自产生微小的循环电流。铁磁体中的所有电子（如果完全磁化）都沿同一方向旋转。也就是说，如果你直视磁铁的北极，所有外层电子都会顺时针旋转。（当你看南极时，所有的都逆时针旋转。）在条形磁铁内部有几个顺时针循环的小电流相当于在条形磁铁的外表面上有一个显着的顺时针电流循环（这相当于有一个线圈导线在棒周围承载大量电流，如图 5 所示）。如果两个这样的磁铁靠近在一起，其中一个的“北”面向另一个的“南”，它们就会吸引。这种吸引力是因为电子电流围绕磁体边缘以相同方向旋转。（请记住，沿相同方向承载电流的两根电线会相互吸引。如果将电线弯曲成两个平行且彼此靠近的环路，只要环路中的电流都沿相同方向流通，它们仍然会吸引）。如果一块磁铁的“北”靠近另一个磁铁的“北”，它们就会相互排斥，因为电子电流以相反的方向循环。

电磁学中还存在另外两个重要效应。首先，变化的电场可以产生磁场。这意味着如果图 1 中的电池电压逐渐增加，极板将获得不断增加的电荷量。忽略图 1 中的导电体，实际上没有电荷会流过 + 板和 - 板之间的气隙。然而，该间隙中会产生磁场，就像电荷在流动一样。（如果您从顶板向下看图 1 的俯视图，则该磁场的方向与图 4 中所示的箭头类似）。在这里，变化的电场本身正在产生磁场。

第二个效应是变化的磁场可以产生电场。这是电力变压器和发电的基础。将一个线圈（或如图 5 所示的一个电磁体）靠近另一个线圈放置。在第一个线圈中建立了不断增加的电流，从而产生了不断增加的磁场。不断增加的磁场导致电子围绕第二个线圈循环，从而与第一个线圈试图建立的不断增加的磁场相反。也就是说，如果第一个线圈试图创建指向第二个线圈的北极，则第二个线圈将尝试创建指向第一个线圈的“北极”。第二个线圈中的电子运动将短暂地部分屏蔽第一个线圈试图建立的磁场，但第二个线圈最终（几分之一秒后）将无法屏蔽。第二个线圈永久屏蔽磁场的唯一方法是其导线是短路的完美导体（超导体）（即图 5 中的两个导线末端连接在一起），以便电子可以继续如有必要，可以永远循环。如果第二个线圈开路，两根电线之间就会出现电压差。在第一线圈的磁场增加期间，第二线圈可以充当电池，发电。如果第一个线圈被振动或旋转的条形磁铁取代，第二个线圈仍然会发电。这是电动涡轮机的运行基础。变化的磁场直接在导线（以及附近空间的所有其他区域）中产生电场，从而导致导线中的电子移动。产生的电压量与所有回路中电线的总长度成正比。变化的磁场也会在人体中产生电场，从而导致电流流动。电流与变化的磁场方向成直角，并且在人的四肢附近最强。电流倾向于沿着身体的外表面流动。其强度与磁场变化的速率成正比（或者对于交流场，电流与磁场强度乘以振荡频率成正比）。对于强度为 3 毫高斯（均方根测量）的 60 Hz（每秒 60 次振荡）磁场，成人体内产生的电流平均为每平方厘米横截面积十亿分之一安培。（单位面积的电流实际上是头部附近的几倍，但在身体的几何中心处接近于零。）对于这些由磁场感应的电流，单位面积的电流与生物体的线性尺寸成比例地增加。例如，一只只有成人大小 1/10 的动物（即，只有 7 英寸长），其单位面积的平均电流为成人的 1/10。

交流电场也会在体内产生电流，如图 2 中的导电体所示。该电流通常沿与电场相同的方向流动，并且在整个身体中相当均匀。与磁场电流一样，来自交流电场的电流与频率乘以强度成正比。对于成年人来说，60 Hz 时 2000 V/m 的电场平均每平方厘米会产生十亿分之一安培。与磁流的情况不同，每平方厘米的电流对于小动物来说不会按比例缩小。

变电生磁和变磁生电效应使电磁波（无线电波）成为可能。这些波通常是从连接到振荡器（本质上是一个快速反复反转极性的电池）的电线（天线）发射的。天线在+和-之间快速振荡，产生快速变化的电场。大多数无线电波的频率范围为每秒五十万到数十亿次振荡。快速变化的电场（垂直）会产生快速变化的磁场（水平且“包裹”天线）。磁场反过来产生电场，该电场增强了现有的电场。由于这种加固，远离天线的电场强度比没有加固时要大得多。例如，如果将一英尺天线连接到一伏直流电压（即电场不振荡），则一英里外的电场将为 1/1000 亿伏/米。然而，如果同样的一伏电压每秒连续反转 2 亿次（一英尺天线以最大效率发射无线电波的适当频率），一英里外的峰值电场将为 1/3000 V/m，或者高出3300万倍。（A1so，峰值磁场约为 1/100,000 毫高斯）。显然，通过使用无线电波，电场（和磁场）可以传输很长的距离。唯一的“问题”是振荡频率必须快；在一次振荡所需的时间内，光传播的距离不应超过天线长度的4倍。如果振荡频率比这慢得多，则天线将发射很少的真正无线电波，并且大多数只会发射慢电场（没有增强磁场）。这个纯电场不会传播很远。类似地，对于具有交流电流的线圈，只有当电流的频率与线圈的尺寸相比足够快时，才会发射真正的无线电波。否则，磁场将几乎是纯磁场，而增强电场非常小。（真正的无线电波具有精确固定的电场强度与磁场强度比率。每 30 V/m 的电场，就有 1 毫高斯的磁场。）

如前所述，一英尺天线需要约每秒 2 亿次 (200 MHz) 的振荡频率才能实现有效的无线电传输。10 英尺天线需要 20 MHz。对于家庭中常见的交流频率（电源线电流的典型频率为每秒 60、180 和 300 次振荡，电视和计算机显示器的水平扫描则高达 17,000-35,000 次），天线和线圈必须采用至少有几英里长才能发射真正的无线电波。由于发射这些场的设备（吸尘器、荧光灯等）比这些小得多，因此家庭场源通常是纯磁场（来自承载交流电流的电线或线圈）、纯电（来自金属板或电线）连接到电“热”线，无论是否存在任何电流），或某种磁电混合，其比率不一定为无线电波标准的每 1 毫高斯 30 V/m。换句话说，如果您仅测量无线电波的电场，您可以轻松计算出该波的磁场必须有多强，但如果您仅测量电器附近某个点的交流电场，则无法计算出该波的磁场强度。计算磁场强度的方法。必须对其进行测量。此外，与无线电波不同，当您距离超过几英尺（有时是几十英尺）时，家庭场源的强度往往会很快消失。

尽管磁场和电场的概念有些人为，并且只是为了量化移动电荷和静止电荷如何相互吸引和排斥而开发的，但从某种意义上说，这些场是真实的。它们携带能量。回想一下图 2，电池必须“泵送”一些电荷才能建立电场。这一动作需要消耗能量，每当产生电场时，就需要一定量的能量（以电荷重新定位到它们“想要”移动的方向的形式）。当电场短路时，该能量可以恢复。事实上，图 2 中的极板起到了微型电池的作用。同样，磁场的建立（通过加速导线中的电子，使它们以一定的速度行进）需要能量，而能量同样可以被回收。1 毫高斯场每立方米空间包含 4 十亿分之一 (4 x 10-9) 瓦秒的能量。令人惊讶的是，30 V/m 的电场包含完全相同的能量。（还记得无线电波的电场与磁场的比率吗？这不仅仅是巧合。）十倍的磁场（10 毫高斯或 300 V/m）具有 100 倍的能量。此外，正如人们所预料的那样，两立方米的空间拥有的能量是一立方米的两倍。

由于电场和磁场携带能量，无线电波以光速向外携带能量。如果距天线一定距离，平均电场为 30 V/m，则平均磁场为 1 毫高斯，无线电波传播的每平方厘米横截面将携带 0.24 毫瓦的功率。在距天线两倍距离处，电场为15V/m，磁场为0.5毫高斯，功率为每平方厘米0.06毫瓦。（也就是说，当电场和磁场下降到 1/2 时，单位面积的功率下降到 1/4。）