Istnienie pola elektromagnetycznego zauważano już w zaraniu cywilizacji. Zjawiska związane z elektrycznością - przyciąganiem się kawałków trawy potartych przez bursztyn, a także zjawiska magnetyczne - “kamienie” przyciągające przedmioty żelazne - opisano w starożytności. Pomiędzy elektrycznością i magnetyzmem nie dostrzegano żadnego związku, aż do roku 1820, kiedy Hans Christian Oersted (1777-1851) zauważył, że prąd elektryczny płynący w drucie wpływa na zachowanie się igły magnetycznej. Zjawisko to opisał matematycznie Andre Marie Amper (1775-1836). Od tej chwili przeczuwano, że musi istnieć zjawisko odwrotne, powstawanie prądu elektrycznego wywołane działaniem pola magnetycznego. W 1831 r., po dziesięciu latach poszukiwań efekt ten odkrył Michael Faraday. Odkrycia te, sformułowane w postaci prawa Ampera i prawa Faradaya zapoczątkowały burzliwy okres budowy teorii zjawisk elektromagnetycznych. Ostateczną, do dziś obowiązującą formę nadał jej w 1864 r. Anglik James Clerk Maxwell (1831-1879). Prawa elektromagnetyzmu, znane jako równania Maxwella, pełnią tę samą rolę, co równania Newtona w dziedzinie mechaniki.

Maxwell rozwinął i zastosował w opisie zjawisk koncepcję pola. W najprostszych przypadkach, przyciąganiu źdźbeł trawy lub ferromagnetyków mamy doczynienia z polami statycznymi. Pole elektrostatyczne można traktować jako konstrukcję myślową służącą do opisu zjawisk wokół źródła tego pola - ładunku elektrycznego. O tym czy pole istnieje w jakimś punkcie przestrzeni, czy nie, przekonujemy się wstawiając w rozważane miejsce inny mały ładunek, zwany ładunkiem próbnym i badając, czy podlega on działaniu siły. Podobnie o istnieniu pola magnetycznego przekonujemy się obserwując siły działające na igłę kompasu lub przewód próbny z prądem.

Dla Maxwella pola elektryczne i magnetyczne stały się nie tylko użyteczną konstrukcją myślową, ale pewną realnością. Zwrócił on uwagę na to, że każda zmiana w czasie jednego z tych pól prowadzi do powstawania w przestrzeni drugiego rodzaju pola, i że nie mogą istnieć zmiany jednego bez drugiego. Pole elektryczne o zmiennym natężeniu wywołuje powstawanie zmiennego pola magnetycznego i odwrotnie. Co więcej, pokazał również, że może istnieć pole elektromagnetyczne niezależne od źródeł - w sytuacji gdy nie ma w pobliżu ładunków i prądów. Pole to ma wówczas charakter fali elektromagnetycznej, fali poruszającej się w przestrzeni z prędkością światła. Jego równania nie przewidują istnienia czystej fali elektrycznej lub magnetycznej.

Wyniki Maxwella przyjęto na kontynencie z niedowierzaniem i zanegowano. Jego praca poszłaby w zapomnienie, gdyby nie H. L. B. Helmholtz (1821-1894), który pobudził swojego ucznia Heinricha Hertza (1857-1894) do doświadczalnego sprawdzenia równań Maxwella. Rozstrzygający eksperyment przeprowadził Hertz w 1887 roku. Wytworzył on i poddał detekcji fale o częstotliwościach, które dzisiaj zaliczylibyśmy do radiowych (VHF). Uświadomiono sobie także wtedy, że falą elektromagnetyczną jest światło, którego badaniem zajmowano się od stuleci. Odkrycia te zmieniły oblicze XX w. prowadząc do powstania radia, elektroniki i telekomunikacji.

W naszym otoczeniu występują zarówno pola stałe, pola zmienne jak i fale elektromagnetyczne. O tym jak pole jest silne decyduje wielkość, która nazywa się natężeniem pola. Natężenia pól definiuje się poprzez pomiar sił jakie wywierają na ładunki (prądy) próbne.

W przypadku pola elektrycznego natężenie pola elektrycznego definiowane jest jako

Przez F oznaczyliśmy siłę [miarą jest Newton], a ładunek przez q [miarą jest Coulomb]. Ostatecznie, natężenie pola elektrycznego ma wymiar [Volt/metr], wynikający z przyjętego układu jednostek SI.

W przypadku pola magnetycznego definicja jest nieco bardziej skomplikowana, gdyż efekt działania pola nie jest zależny tylko od wartości prądu próbnego i ale również od długości przewodu l przez który ten prąd przepływa. Miarą pola magnetycznego jest wielkość

nazywana, ze względów historycznych, indukcją magnetyczną pola. Pojęcie natężenia pola magnetycznego jest również używane, jest nią wielkość, którą otrzymujemy poprzez podzielenie wartości indukcji pola magnetycznego przez stałą fizyczną =4p × 10^-7, zwaną przenikalnością magnetyczną próżni

Natężenie pola magnetycznego ma wymiar [A/m], jest tu pewna analogia do wymiaru natężenia pola elektrycznego [V/m].

Fale elektromagnetyczne, które nas otaczają mają najczęściej postać fali płaskiej. Taką falą jest fala radiowa daleko od anteny nadajnika, czy światło słoneczne. W polu fali płaskiej, poruszającej się w kierunku osi x, natężenie pola elektrycznego E i natężenie pola magnetycznego H mierzone w wybranym punkcie o współrzędnej x nie jest stałe, lecz zmienia się “sinusoidalnie” z upływem czasu t zgodnie z zależnością

[V/m]

[A/m]

Wielkości i zwane są amplitudami pól E i H i charakteryzują “siłę” fali, a l i f są odpowiednio długością i częstotliwością fali. Zgodnie z równaniami Maxwella i oraz l i f są od siebie zależne i gdy fala porusza się w pustej przestrzeni (próżni) spełniają związki

[W ] i [m/s] ,

gdzie c jest prędkością światła.

Zakres częstotliwości pól elektromagnetycznych, które są obecnie stosowane jest olbrzymi. Podajemy powszechnie akceptowany podział częstotliwości, zalecany przez Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

zalecenia IEEE

Rozróżnianie tak wielu zakresów w obszarze niskich częstotliwości stało się kłopotliwe i wielu badaczy używa obecnie w publikacjach pojęcia zakresu ELF (częstotliwości ekstremalnie niskie) mając na myśli częstotliwości leżące w zakresie 3....3000 Hz, a wszystko ci jest poniżej 3 Hz określając mianem ULF (ultra niskie częstotliwości). Zakresy leżące wyżej pozostawia się bez zmian.

powszechnie stosowany uproszczony podział w zakresie niskich częstotliwości

Fale elektromagnetyczne ELF rozchodzące się na Ziemi są uwięzione pomiędzy jej powierzchnią a powierzchnią jonosfery. Te dwie powierzchnie wyznaczają przestrzeń nazywaną falowodem Ziemia-jonosfera. Ze względu na rozmiary Ziemi, nie można mówić o falach dłuższych od jej obwodu, czyli = 40 000 [km]. Oznacza to, że zakres częstotliwości fal ELF spotykanych na jej powierzchni zaczyna się od f = 7.5 [Hz]. Zjawiska propagacji w pobliżu tej częstotliwości są skomplikowane i prowadzą do powstawania rezonansu Schumanna. W zakresie powyżej 45 [Hz] propagacja fal przestaje być rezonansowa i zachowują się one podobnie jak fale radiowe.

Cechą szczególną zakresu ELF jest bardzo małe tłumienie fal. Warstwy jonosfery decydujące o propagacji pól w tym zakresie leżą na wysokości h = 60 [km] i aż do częstotliwości 1500 [Hz] falowód Ziemia-jonosfera można traktować jako dwa płasko-równoległe przewodniki, oddalone o odległość mniejszą od połowy długości fali. Pod tym względem falowód Ziemia-jonosfera przypomina paskową linię transmisyjną, znaną z zakresu mikrofal. Straty energii w linii transmisyjnej są związane niedoskonałością przewodników i upływnością dielektryka pomiędzy nimi. W przypadku Ziemi o stratach energii decyduje skończone przewodnictwo elektryczne jonosfery. Stan przewodnictwa Ziemi i upływność atmosfery mają mały wpływ na tłumienie fal w zakresie ELF. Charakterystyczną cechą linii transmisyjnych jest “pierwiastkowa” zależność tłumienia trasy propagacyjnej od częstotliwości, dla Ziemi średnio

[dB/Mm],

gdzie odległość x jest wyrażona w megametrach [Mm]. Np. na częstotliwości 75 [Hz] tłumienie wynosi 0.74 [dB/Mm], co oznacza, ze w punkcie antypodalnym, oddalonym 20 000 [km] = 20 [Mm] od źródła fala jest stłumiona o 14.7 [dB]. Tak małego tłumienia nie można uzyskać w żadnym innym zakresie widma, co przesądziło o zastosowaniach fal ELF do łączności w skali globalnej.

Inną cechą szczególną fal ELF jest ich duża głębokość wnikania

,

Pewnym problemem jest budowa anten nadawczych w zakresie ELF. Wykorzystuje się w tym celu anteny ziemne, zbudowane z dwu oddalonych uziemień, pomiędzy którymi płynie prąd antenowy. Prąd ten wnika głęboko w ziemię i stanowi pętle, która przy odpowiedniej odległości uziemień wykazuje dostatecznie duży współczynnik sprzężenia z linią Ziemia-jonosfera.