1.“地下工作者”——电磁波
正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。
电磁波是电磁场的一种运动形态。从科学的角度来说，电磁波是能量的一种。凡是能够释放出能量的物体，都会释放出电磁波。在高频电磁振荡的情况下，部分能量以辐射方式从空间传播出去，所形成的电波与磁波的总称，叫做“电磁波”。
在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢。它们的能量几乎全部返回原电路，而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变很快，能量不可能全部返回原振荡电路。于是，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化，以电磁波的形式向空间传播出去。
电磁波属于横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波。波长越长的地面波，衰减越少。电磁波的波长越长，在绕过障碍物时也更加方便，可以更快地继续传播。中波或短波等空中波，则是靠围绕地球的电离层与地面的反复反射而传播的（电离层在离地面约50～400千米之间）。
光波是一种电磁波，无线电波也有和光波同样的特性。电磁波与光具有同样的传播速度，而且光波中有更多形式的电磁波。电磁波与光的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。例如，电磁波在通过不同介质的时候，也会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。
按照波长或频率的顺序，将这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们依次是工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。
我们一般所用到的波长都在10～3000米之间，分为长波、中波、中短波、短波等几种。传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米至几厘米。电磁波有红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。各种光线和射线，也都是波长不同的电磁波。其中以无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。
电磁波在传播中会携带有能量，因此，可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。
2.“周公解梦”——电磁理论
电可以生成磁，磁也能带来电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。而变化的电磁场在空间的传播则形成了电磁波，电磁波也常称为电波。
1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论。他断定了电磁场的存在，并推导出电磁波与光具有同样的传播速度。
其实，人们很早就接触到了电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。18世纪，物理学家们发现电荷有两种：正电荷和负电荷。另外，人们还发现，不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，而且它们作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。
19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。之后，安培又发现这个作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就有电流产生。这些实验表明，电和磁之间肯定存在着密切的联系。
当电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到，电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为了进一步研究，法拉第引进了力线的概念，认为电流的产生围绕着导线的磁力线，电荷会向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。
现在人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场，这个电场又将力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场，而这个磁场又再将力作用于其他磁体和内部有电流的物体。同时，电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，弥漫于整个空间。
1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，引进了位移电流的概念，建立了完整的电磁理论。他的研究成果表明：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上，他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为“麦克斯韦方程组”，后来成为经典电磁学的基本方程。
麦克斯韦的电磁理论预言：电磁波确实存在，而且它的传播速度等于光速。这一预言后来为赫兹的实验所证实。这时，人们才认识到麦克斯韦电磁理论的正确性。麦克斯韦电磁理论反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。由于电磁场能够将力作用于带电粒子，因此，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力。著名物理学家洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为“洛伦兹力”。于是，描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦兹力就构成了经典电动力学的基础。
3.心有灵犀——电磁感应
磁通量变化会产生感应电动势，因此，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电涡流，这种现象叫电磁感应现象。
电磁感应是伟大物理学家法拉第的重大发现。抗磁性的基本来源就是电磁感应。这里感应电流所产生的磁场，对感应它们的磁场变化起着反抗作用，这就是楞次定律。
1820年，奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁是否能产生电，磁能否对电作用的问题。1822年，阿喇戈和洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍有滞后。
电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的两种电磁感应现象。但由于没有直接表现为感应电流，当时并没有加以说明。
1831年8月，法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其中一个线圈为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针；另一线圈与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中也出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。于是，他紧接着做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为五类：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。进而，法拉第又发现，在相同条件下，不同金属导体回路中产生的感应电流，与导体的导电能力成正比。他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路、没有感应电流，感应电动势也依然存在。
经过不断地研究，法拉第给出了确定感应电流方向的楞次定律，以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种。前者起源于洛伦兹力，后者起源于变化磁场产生的有旋电场。
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一。它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，在对其本质的深入研究后，所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。
感应电流的产生必须要具备三个条件：（1）电路是闭合且相通的；（2）穿过闭合电路的磁通量发生变化；（3）电路的一部分在磁场中做切割磁感线运动（切割磁感线运动就是为了保证闭合电路的磁通量发生改变）。
这三者相辅相成，如果缺少一个条件，就不会有感应电流产生。感应电流的方向跟磁感线方向，导体运动方向有关系；感应电流的大小与导体切割磁感线的有效长度、导体切割速度、磁场强度有关。
电磁感应现象中，之所以强调闭合电路的“一部分导体”，是因为当整个闭合电路切割磁感线时，左右两边产生的感应电流方向分别为逆时针和顺时针，对于整个电路来讲，电流抵消了。
电磁感应是一个能量转换的过程。例如，重力势能、动能等可以转化为电能。热能等电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面，都有着广泛的应用。
4.隐形伤害——电磁辐射
电磁辐射是“电子烟雾”的一种，是损害人体健康的主要表现形式。它和电磁场共同对人体的健康产生危害。
广义的电磁辐射通常是指电磁波频谱而言。而狭义的电磁辐射是指电器设备所产生的辐射波。电磁辐射是传递能量的一种方式，辐射可以分为三种：游离辐射、有热效应的非游离辐射、无热效应的非游离辐射。
电磁辐射对人体有害。其中，危害人体机理的主要是电磁辐射的热效应、非热效应和积累效应等。
热效应：我们知道，人体内70%以上是水。当水分子受到电磁波辐射后，会相互摩擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常工作。这就是热效应所带来的损害。
非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场。一般情况下，它们是稳定有序的。然而，它们一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场就会遭到破坏，人体正常循环机能也会遭受破坏。
累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害还没来得及进行自我修复之前，再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，这就会形成积累效应。如果长期维持这种状况的话，就会成为永久性病态甚至危及生命。
对于长期接触电磁波辐射的群体来说，即使功率很小、频率很低的电磁波，也会诱发意想不到的病变，应引起警惕。
各国科学家经过长期研究证明：长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等。另外，如男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等病症也可由电磁波辐射引起。
5.南极北极——地磁场
地球就是一个大磁体。地球的磁性，是地球内部的物理性质之一。在地球周围形成的磁场，它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此，处于地球表面的磁体，在可以自由转动的情况下，就会因磁体同性相斥、异性相吸的性质，而表现为指示南北。
存在地球周围的磁场中，并表现出磁力作用的空间，称为地磁场。它和一个置于地心的磁偶极子的磁场很近似，这是地磁场的最基本特性。
人类对于地磁场存在的早期认识，主要来源于天然磁石和磁针的指极性。地磁的北磁极在地理的南极附近；地磁的南磁极在地理的北极附近。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为南极）吸引着磁针的北极，地球的南磁极（磁性为北极）吸引着磁针的南极。
地球磁场的磁极和地理上的南北极方向正好相反，而且与地球的南北极并不重合。地磁的磁感线和地理的经线是不平行的，两者之间有一个11°左右的夹角，这个角被称为磁偏角。最早发现磁偏角的是我国北宋时期的科学家沈括。
此外，地球磁场的磁极位置也不是固定不变的。它有一个周期性的变化，这是地磁场的另一特性。
我们知道，地磁场很弱。但是它却可以延伸到很远的空间，保护着地球上的生物和人类，使我们免受宇宙辐射的侵害。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，而且变化非常缓慢。而变化磁场则包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，而且非常微弱。
地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90%，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程中，也就是自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10%。地磁异常又分为区域异常和局部异常，它的存在与岩石和矿体的分布有关。
地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中，产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为1～3天，幅度可达10纳特（数量级术语）。其他几种干扰变化则主要分布在地球的极光区内。除外源场之外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。根据变化磁场的内、外场相互关系，就可以得出地球内部电导率的分布。对地磁场的研究已成为地磁学的一个重要领域。
地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关。因此，地球变化磁场在空间物理学和固体地球物理学的研究中，都具有非常重要的意义。
6.灵感与现实——地磁场理论与假说
历史上，第一个提出地磁场理论概念的是英国人吉尔伯特。他在1600年提出了一种论点，认为地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系，指出地磁场的起因不应该在地球之外，而应在地球内部。
1893年，数学家高斯在他的著作《地磁力的绝对强度》中，从地磁成因于地球内部这一假设出发，创立了描绘地磁场的数学方法。这样，地磁场的测量和起源研究就都可以用数学理论来表示了。但这仅仅是一种形式上的理论，并没有从本质上阐明地磁场的起源。
科学家们经过不断地探索和研究，现在已基本掌握了地磁场的分布与变化规律。但是，对于地磁场的起源问题，学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。
目前，关于地磁场起源的假说，归纳起来可分为两大类：第一类假说是以现有的物理学理论为依据；第二类假说则独辟蹊径，认为对于地球这样一个宇宙物体，存在着不同于现有理论的特殊规律。
第一类假说中，比较具有代表性的有旋转电荷假说。它假定地球上存在着等量的异性电荷。这两种电荷，一种分布在地球内部，另一种分布在地球表面。电荷随地球旋转，因而产生了磁场。这一假说能够很自然地通过电与磁的关系，来解释地磁场的成因。但是，这个假说却有着致命的缺点：首先，它不能解释地球内外的电荷是如何分离的；其次，地球负载的电荷并不多，因此由它产生的磁场也是非常微弱的。根据计算，如果要想得到地磁场这样的磁场强度，地球的电荷储量需要扩大1亿倍才行。因此，理论计算的结果和实际情况的出入很大。
以地核为前提条件的地磁场假说，也属于第一类假说。弗兰克在这类假说中提出了发电机效应理论。他认为地核中电流的形成，应该是地核金属物质在磁场中做涡旋运动时，通过感应的方式而产生的。同时，电流自身形式的场，就是连续不断的再生磁场，就像发电机的情形一样。弗兰克所建立的模型说明了怎样实现地磁场的再生过程，也解释了地磁场有一定的数值。但是在应用这种模型的时候，却很难解释地核中的这种电路是怎样通过圆形回路而闭合的。此外，这个模型也没有考虑到电流对涡旋运动的反作用，事实上，这种反作用是不允许涡旋分布于平行赤道面的平面内的。
另外，属于第一类假说的还有漂移电流假说、热力效应假说和霍尔效应假说等。但是，这些假说都不能全面地解释地磁场的奇异特性。
关于地磁场起源还有第二类假说，这其中最具代表性的就是重物旋转假说。1947年，布莱克特提出：任意一个旋转体都具有磁矩，它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为，地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的，也就是说星体自然生磁，就好像电荷转动能产生磁场一样。但是，这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难。在现有的实验条件下，还没有观察到旋转物体产生的磁效应。而对天体的观测结果表明，每个星球的磁场分布状况都很复杂，还不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的关系。
关于地磁场的起源问题，学术界仍处在探索与争鸣之中。目前，还没有一个具有相当说服力的理论，对地磁场的成因作出解释。
7.黑子不黑——太阳磁场
黑子是太阳的表面常常会出现的黑色斑点。它是太阳磁场发生异常的主要表现形式：太阳表面上的磁化风暴，一个巨大的旋涡状气流。
黑子其实并不黑，它的温度在4500℃左右，只是由于它比周围的高温低了1500℃左右，因此，在我们看来它是呈现为黑色斑点的。黑子其实也不小，小黑子的直径也有1000千米左右；大黑子或者是黑子群，直径还可达10万千米以上。
太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。一般说来，一个黑子群中有两个主要黑子，它们的磁极性相反。如果前导黑子是N极的，则后随黑子就是S极的。在同一半球（例如北半球），各黑子群的磁极性分布状况是相同的；而在另一半球（南半球）情况则相反。在一个太阳活动周期（约11年）结束，另一个周期开始时，上述磁极性分布便全部颠倒过来。因此，每隔22年，黑子磁场的极性分布就会经历一个循环，称为一个磁周。
强磁场是太阳黑子最基本的特征。黑子的低温、物质运动和结构模型都与磁场息息相关。
太阳磁场是分布于太阳和行星际空间的磁场，分为大尺度结构和小尺度结构。其中，大尺度结构磁场主要指太阳的普遍磁场和整体磁场，它们是单极性的；小尺度结构磁场则主要集中在太阳活动区附近，且绝大多数是双极磁场。
在太阳风作用下，太阳磁场还弥漫在整个行星际空间，于是形成了行星际磁场。它的极性与太阳整体磁场一致，并随着离开太阳距离的增加而减弱。可以说，各种太阳活动现象都与磁场密切相关。如耀斑产生前后，附近活动区磁场会有剧烈变化，而黑子的磁场最强，能量也极大。
在太阳的剧烈活动中，就会有磁爆产生，而且充斥和弥漫整个太阳磁场。太阳磁场中最主要的磁现象有黑子、耀斑和日珥。
耀斑是最强烈的太阳活动现象。一次大耀斑爆发可以释放出的能量非常巨大，这个能量可能就来自磁场。在活动区内，一个强度为几百高斯（能量单位）的磁场一旦湮没，它所蕴藏的磁能便会全部释放出来，足够供给一次大耀斑爆发。在耀斑爆发前后，附近活动区的磁场往往会有剧烈的变化。
日珥的温度约为10000℃，它却能长期存在于温度高达一两百万℃的日冕中。它既不会迅速瓦解，也不会下坠到太阳表面，这主要依靠什么力量来维持呢？原来，磁力线的隔热和支撑作用就足以维持它的这种状态。宁静日珥的磁场强度约为10高斯，磁力线基本上与太阳表面平行；活动日珥的磁场强一些，可达200高斯，磁场结构较为复杂。
除太阳活动区外，日面宁静区也有微弱的磁场。整个说来，太阳和地球相似，也有一个普遍磁场。不过由于局部活动区磁场的干扰，太阳普遍磁场只是在两极区域比较显著，而不像地球磁场那样完整。太阳极区的磁场强度只有1～2高斯。太阳普遍磁场的强度经常变化，甚至极性也会突然转换。总之，太阳上既有普遍磁场，又有整体磁场。只不过普遍磁场是南北相反的，而整体磁场是东西对峙的。
8.夜之魅——极光
在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。它会轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒，人们把这种壮丽动人的景象叫做极光。
极光五彩缤纷，多种多样，魅惑无比。在自然界中，还没有哪种现象能与之媲美。它是地球两极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。
极光是南北极地区特有的一种大气发光现象。以前，由于人们认识的局限性，它在东西方的神话传说中，留下了一个个美丽的传说、妖艳的倩影。
随着现代科学突飞猛进的发展，现在人类已经能够用平静的心情和理性的眼光来看待极光，对它也能作出合理的科学解读了。
在相当长一段时间内，人们一直认为极光可能是由以下三种原因形成的。一种看法认为极光是地球外面燃起的大火，因为北极区临近地球的边缘，所以能看到这种大火；另一种看法认为，极光是红日西沉以后，透射反照出来的辉光；还有一种看法认为，极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来，到夜晚释放出来，便形成了美丽的极光。
总之，众说纷纭，无一定论。但事实是怎样的呢？20世纪60年代，科学家们将地面的观测结果与卫星和火箭探测到的资料结合起来研究，才逐步形成了极光的物理性描述。
现在人们认识到，极光一方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关；另一方面，又与太阳喷发出来的高速带电粒子流有关，这种粒子流就是我们通常所说的太阳风。
由此可见，形成极光必不可少的条件就是大气、磁场和太阳风，这三者缺一不可。具备这三个条件的太阳系其他行星，如木星和水星，它们的周围，也会产生极光。之后，水星和木星上的这种美丽的极光现象，已被实际观察到。
地磁场分布在地球周围，被太阳风包裹着，形成一个棒槌状的胶体，科学上称它为“磁层”。为了更形象化，我们可以把磁层看成一个巨大无比的电视机显像管：它将进入高空大气的太阳风粒子流汇聚成束，聚焦到地磁的极区，极区大气就是显像管的荧光屏，极光则是电视屏幕上移动的图像。但是，这里的电视屏幕是直径为4000千米的极区高空大气。通常，地面上的观众，在某个地方只能见到画面的1/50.在电视显像管中，电子束击中电视屏幕，由于屏上涂有发光物质，因此屏会发射出光，显示成图像。同样，来自空间的电子束，打入极区高空大气层时，也会激发大气中的分子和原子，导致发光，这样，人们便见到了极光的图像显示。在电视显像管中，由一对电极和一个电磁铁作用于电子束，产生并形成一种活动的图像。在极光发生时，极光的显示和运动，则是由于粒子束受到磁层中电场和磁场变化的调制造成的。
极光不仅是个光学现象，而且是个无线电现象。它会辐射出某些无线电波，因此可以用雷达来进行探测研究。另外，也有人说，极光还能发出各种各样的声音。
极光不仅是科学研究的重要课题，它还直接影响到无线电通信、长电缆通信，以及长的管道和电力传送线等许多实用工程项目。此外，极光还可以影响到气候，影响生物学过程。当然，极光也还有许许多多没有解开的谜。
在地球与月球距离的三分之一处发生的磁爆，使得北极光和南极光突然变亮。数十年来，科学家对触发极光突然变闪耀的机理也一直存有争议。
有关科学家曾经研究证实，极光耀现是由于一种叫作“磁重联”的作用所造成的。磁重联理论认为，“亚暴”（注：即“磁层亚暴”，发生在地球磁层的强烈扰动。持续时间为1～2小时，主要扰动区域包括整个磁尾、等离子体片和极光带附近的电离层。）发生在距离地球约12.8万千米的地方，也就是由地球往月球三分之一的路程处。
在极光发生区域，地球磁层两个磁场的磁力线，由于贮存太阳风能量而相互靠近。当两者之间达到一个临界值时，磁力线便重新排布，导致磁能转化为动能和热能，这种能量的释放就会促使极光瞬间变得明亮斑斓。
极光耀现与太阳风有关，地球磁场的磁力线在储存太阳能量时，可辐射到遥远的太空。科学家发现，发生的磁联作用最初离地球很远，不过之后它会向地球方向慢慢传播过来。月球的位置距离地球38.5万千米，而磁联作用则发生在大约距离地球12.8万千米处。
太阳风与地球大气原子冲撞后产生的极光通常极其微弱，肉眼是很难看到的。但人们偶尔也能见到科学家称为动态极光的耀眼光辉。
