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电动力学（electrodynamics）是电磁现象的经典的动力学理论。通常也称为经典电动力学，电动力学是它的简称。它研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。[2]
电磁现象的研究有很悠久的历史。如卡文迪许（Cavendishe）研究带电粒子间的相互作用，[3]库伦（Charlles Augustin de Coulomb）发现了静电[5]。但是这些都是把电和磁作为不相关的学科进行研究，直到1820年奥斯特（oersted）发现了电流的磁效应后，才把电和磁联系起来，开始了电磁学研究的新阶段。[4]随后，1831年法拉第（Michael Faraday）发现了电磁感应定律等。[5]1873年，麦克斯韦出版的《电学和磁学论》一书，建立了完整的电磁理论体系。[6]
电动力学在电子学中的应用主要是电路分析、信号处理、电子器件等方面；[7]在研究电磁场和电磁波方面，移动通信、雷达等主要的无线电通信方式都落在微波波段，计算机数据接入等有线传输方式则落在超短波左右波段；[8]在研究材料的电性质方面，电导率、磁导率、介电常数都是影响材料性能的重要参数；[9]在能源技术方面，电动力学推动了变压器、电动机、发电机等的发展；[10]在医学方面，电动力学主要应用在心电图、脑电图、磁共振成像等方面。[11][12]
相关历史
电磁现象研究历史悠久，[3]人类对电磁现象的认识是从静电、恒磁和似稳电流等开始，然后逐步扩大，直到一般的运动变化过程。[2]在电磁现象的早期研究中，第一批系统地进行研究的包括英国医生威廉·吉尔伯特（William Gilbert）等。1600年他在英国出版了他的著作《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》，他的工作使整个磁学由经验转变为科学。[4]
18世纪中叶以后，人们在已知同种电荷相斥和异种电荷相吸的基础上，提出了相互作用力的测量问题。[4]1771年~1773年卡文迪许（Cavendishe）通过实验确立了带电粒子之间的相互作用。[3]受牛顿万有引力定律的启发，库仑（Charlles Augustin de Coulomb）于1785年公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律，使电学和磁学进入了定量研究的阶段。世界范围内定量地研究电磁现象由此开始。[4]
自吉尔伯特开始以来的二百多年，人们一直把电和磁作为毫无关系的两门学科分别加以研究。直到1820年奥斯特（oersted）发现了电流的磁效应后，才把电和磁联系起来，开始了电磁学研究的新阶段。[4]1820年4月，奥斯特在一次课堂演示中发现电流通过时，指南针的磁针动了，于是他意识到电流产生了磁场。经过三个月的实验，奥斯特向科学界展示了他的新发现。[13]
1831年，法拉第（Michael Faraday）发现了和奥斯特的实验相对应的现象，他发现在一个电路旁边移动一个普通的磁铁，可以使该电路产生电流。[13]随后他在实验的基础上发现了电磁感应定律。[5]
1862年，詹姆斯·麦克斯韦（James Maxwell）发表了论文《论物理力线》，得出电场变化产生磁场的结论，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。[6]1864年，其又一篇论文《电磁场的动力学理论》从理论上把电和磁的规律统一，提出电磁场运动的基本方程组（麦克斯韦方程组）。[5][6]1873年，麦克斯韦出版的《电学和磁学论》一书，全面总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。[6]
1888年，赫兹（Hertz）在实验上发现了以光传播的横波—电磁波，最终确立了麦克斯韦电磁理论，即经典电动力学的正确性。[3]
研究对象
电动力学研究的问题比较广泛，凡是与电磁现象、电磁场和物质相互作用有关的问题，都是其研究的内容。其中包括静电场和恒磁场的分布，介质在静电场或恒电场中所受的力，带电粒子在电磁场中的运动，电磁波的辐射、散射和传播，电磁场和介质的相互作用，以及介质运动的电磁现象等。此外，狭义相对论也是电动力学不可缺少的内容（狭义相对论是在电磁现象的研究中发现的）。[2]
电磁场
电磁场是物质的一种存在形态，它有特定的性质和运动规律，它和其他带电物质会发生特定形式的相互作用。和局域在空间确定区域内的实物不同，电磁场弥漫于全空间中，作为空间中某种随时间变化的分布而存在。例如，在电线附近存在着电场，在人们周围的空间中传播着各种电磁波。一般用两个矢量函数：电场强度和磁感应强度来描述电磁场的状态，电磁场的规律用数学形式表示出来就是这两个矢量场所满足的偏微分方程组。[14]
变化的磁场在空间激发出感应电场，无论空间中是否存在导体或导体回路，无论有无介质存在，变化的磁场激发的感应电场总是客观存在的。感应电场是无源场，用于形象地描写感应电场的电场线是闭合曲线。[15]
电磁场在空间上具有弥散性和可叠加性，例如不同电荷产生的场可以共存于相同的空间区域，不同颜色（频率）的光可以共存于一个空间区域，电磁场原则上可以充斥于整个空间。电磁场还具有波动性，变化的电磁场是电磁波，具有干涉、衍射和偏振等典型的波动特征。同时电磁场在真空中的运动速度等于光速，且恒定不变（电磁场运动的绝对性）。[16]
电磁关系
磁生电
磁场对处在场内的另一载流导体或铁磁物质有力的作用，并能在对磁场作相对运动的导体中产生感应电动势。[18]当静态的导电回路处于变化的磁场中时，磁通的变化是由于磁场随时间的变化而产生的，因回路所围面积不变，在不动的导体中出现感生电流，说明导体中的静态电荷受到电力的作用，磁场的变化在导体中激发电场。这种电场不是电荷激发的，因此不同于静电场，称之为感生电场。根据电动势的概念，感生电场沿导电回路一周的线积分就是感生电动势。感生电场为涡旋场，其电场线闭合，其旋涡在磁场随时间变化之处。[19]
电生磁
电流通过的导体内部及其周围都存在着磁场，这些电流产生的磁场同样可以对磁铁产生作用力，这种现象叫作电流的磁效应。[20]即产生磁场的根本原因是电流，即使是永久磁铁的磁场也是由分子电流所产生的。所谓分子电流，是由原子内的电子绕原子核旋转和电子自转所形成的。[18]
麦克斯韦方程组
麦克斯韦对电磁规律进行了高度的概括和总结，将前人总结的电磁规律推广到更具普遍性的一般电磁场中，开创性地提出了感生电场和位移电流假设。指出变化的电场和变化的磁场可以相互激发，从而使电场和磁场理论融合为一个完整而和谐的电磁场理论。这个理论的主要内容被表述为四个方程，称为麦克斯韦方程组。[21]麦克斯韦方程组表述如下：[22]
式中为电场强度，为磁感应强度，为电荷密度，为电流密度， 为电位移矢量，为磁场强度， 为空间坐标的矢量微分算符。[2][23]
麦克斯韦方程组表明：[23]
电场由电荷和变化的磁场产生。磁场由电流和变化的电场产生。磁场的无散性与电流是否恒定无关。
电荷守恒定律
电荷守恒定律是研究电磁理论的一条最基本的实验定律，其在数学上用连续性方程表示。设有一确定的区域V，其边界为闭合的曲面S，当有电荷从V中流出时，V内的电荷必然减少，即通过界面S流出的总电流应等于区域V内的电荷减少率。电荷守恒定律的积分形式表现为：[23]
微分形式：
洛伦兹力公式
带电粒子在磁场中运动时会受到磁场的作用力，这种磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力。洛伦兹力的方向与运动电荷的速度方向总是垂直的，因此洛伦兹力永远不对运动电荷做功。它只改变带电粒子运动的方向，而不改变其运动速率，这是洛伦兹力的一个重要特征。[24]
已知，静止电荷受静电场的作用力为[22]
，
稳恒电流受稳恒磁场的作用力为[22]
洛伦兹把它们推广到带电体在变化的电场中运动的情况。洛伦兹假定，不论带电运动状态如何，在变化的电磁场中，运动带电体所受到的力为[22]
——（1）
或单位体积带电体的受力为[22]
——（2）
式（1）和（2）称为洛伦兹力公式，为洛伦兹力的密度，是总的场，包括运动带电体本身所激发的电磁场。[22]
麦克斯韦方程组、洛伦兹力公式以及电荷守恒定律合在一起，组成了电动力学的基本方程式。[22] 将其结合起来就可完全确定电磁场和带电体系的运动变化。[2]
量子电动力学
量子电动力学是由经典电动力学发展而来，其主要涉及电磁场（光子）和物质场的量子化和重正化。[25] 量子电动力学在没有原子核的粒子的计算中都是适用的。比如，在寻找电子的磁矩中或是在决定它与光的相互作用中。[26]量子电动力学（QED）拉格朗日量可表现为：
介质的电磁场性质
介质是由大量分子（或原子）组成的宏观物体，是一个带电粒子系统，其内部存在不规则而又迅变的电磁场。当无外场时，介质内一般不出现宏观的电荷电流分布，当有外场时，介质内分子正负电荷发生相对位移，有极分子和分子电流的取向呈现一定的规则性。这种现象称为介质的极化和磁化现象。极化和磁化现象将使介质内部表面出现宏观的电荷和电流分布，产生附加的宏观电磁场，与外场叠加形成内部的总场。为了描述介质的极化和磁化，引入极化强度和磁化强度。[23]
极化强度
极化强度是单位体积内所有分子电偶极矩的矢量和，它是反应介质极化程度的物理量。[23]非均匀介质极化后，介质内部将出现极化电荷，但均匀介质极化后，极化电荷只出现在介质的表面。设为两介质的分界面，两侧一定厚度的薄层内有极化面电荷，则极化电荷密度为。设从右侧介质2进入右侧薄层的正电荷为，从左侧介质1进入同一薄层的正电荷为。
当电场随时间变化时，极化过程中正、负电荷的相对位移将随时间变化，由此产生的电流称为极化电流。极化电荷和极化电流满足电荷守恒定律。[23]
磁场强度
介质分子内的电子运动的磁效应可等效为一个微观分子电流，一个分子电流具有一个分子磁矩。无外场时，由于分子磁矩取向的无规性，并不出现宏观的电流分布，一旦有外磁场作用，分子磁矩都将按一定的方向排列，形成宏观的磁化电流密度，这种现象称为磁化现象。[23]表征磁场大小和方向的物理量称为磁场强度，其数值大小取决于电流，电流越大， 磁场强度值也越大。[28]
电磁波
变化的电场和磁场相互激发，闭合的涡旋电场线就像链条一样一环套一环，由近及远向外传播，这种变化电磁场在空间的传播称为电磁波。[29]麦克斯韦方程组揭示，电磁波由同相的电场与磁场在空间中以波的形式移动，且电场和磁场互相垂直，其传播方向垂直于电场和磁场方向，电场方向、磁场方向和传播方向满足右手螺旋定则，电磁波在真空中以固定的速度传播， 其传播速度为2.998×106m/s，电磁波在传播过程中两个相邻的波峰或者两个相邻的波谷之间的长度称为波长。[30]
如果依照频率的高低，把不同的电磁波排布成序列，即为电磁波谱。这些不同频段的电磁波，按照频率由低到高排序，分别为工频电磁波、无线电波（可分为长波、中波、短波、微波）、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。[30]
与其它学科的联系
电动力学是物理学各分支的理论基础，电与磁已经渗透到物理学以及其他学科各个领域。凡是与电磁现象、电磁场和物质相互作用有关的问题，都是电动力学研究的内容。由此可以看出其与力学、磁学、电学、物理学，相对论力学等学科有着密切关系。[2]
相对论力学
经典电动力学的确立导致了相对论力学的建立，[3] 狭义相对论是从麦克斯韦-洛伦兹关于电磁现象的理论中提炼出来的。由此，所有支撑这个电磁理论的经验事实也都支持相对论。[31]所以经典电动力学和狭义相对论是密不可分的。[3]
量子力学
电化学
电化学本身是讨论由电引起的化学变化和反应，而电动力学是研究在运动中的电效应。虽然电化学效应要大得多，但是这两个领域，特别是它们交织在一起相互作用时，对理解IP现象都是非常重要的。[32]
光学
光是一种电磁波，从麦克斯韦方程组出发可以推导出光的全部波动性质。例如，光在两种不同介质界面上的反射和折射现象属于边值问题，它是由光波的基本物理量在边界上的行为确定的。因此利用电磁场在两种不同介质界面上的边值关系可以推导出光在介质中的反射、折射等公式。[33]
电子学
在解决电子学中的电子运动问题时需应用电动力学，[34]电子学主要问题是研究电子器件的外特性以及由此组成的电子电路的分析与设计思路。从体系上，电子器件既可作连续（模拟）信号的处理，也可作离散（数字）信号的处理。[7] 例如，放大器可以将来自无线电调谐器的微弱信号转换成给扬声器供电的强信号。[35]
电磁场与电磁波
电动力学研究电磁场和电磁波的传播和辐射。[2]在信号传输中采用哪种传输线对信号传输更有效、更可靠，与其电磁波波段有直接关系。例如，移动通信、雷达、 微波通信和卫星通信，这几种主要的无线电通信方式都落在微波波段；市话用户接入、有线电视用户接入和计算机数据接入这三种有线传输方式落在超短波左右波段。[8]
材料科学
电动力学可以用来研究材料的电性质。[9]例如，窗口、基底和透镜等THz元件通常需要由对THz波透明的介质材料构成。这些材料主要包括聚合物、电介质和半导体。[36]对于介质材料，无外界场时，物质介质内部的电偶极子或磁偶极子的取向不一，杂乱排列，通常是平衡到它本身建立不起可见的宏观场为止。但是，当外界场作用到材料上时，内部场的相互补偿遭到破坏，产生了介质的极化和磁化，即电磁场的本构关系。[9]半导体的电导率是可调控的，常作为功能材料；而当要避免外场对器件基底产生影响时，常用电介质或聚合物作为器件的基底。[36]
能源技术
医学
电动力学在医学中也有应用：例如，心电动力学范畴中的心电图、脑电图、肌电图、网膜电图，已成为判断各组织活动的生理或病理状态的重要指标；[11]磁共振成像是指在外加磁场的作用下，正在旋进的某些原子核，例如氢原子的原子核会发出一定频率的无线电波，这时再加上适当的射频电波对旋进的原子核进行激励，在激励电波被截断后，原子核又会逐渐恢复到原来的位置，并发射与激励波频率相同的射频信号的现象。在原子核进行激励过程中，根据电动力学的定律，运动着的磁体在其周围的线圈中会产生电流、原子核的感应现象。[12]