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來源: 澎湃新聞 中國科學(xué)家對麥克斯韋方程組的運(yùn)用范圍進(jìn)行了拓展。 1月13日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所（簡稱，納米能源所）重大原創(chuàng)成果發(fā)布會上，納米能源所所長、首席科學(xué)家王中林表示，其團(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)年研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功地將電磁場理論推廣到運(yùn)動的介質(zhì)情形，對麥克斯韋方程組進(jìn)行了拓展。 王中林建立的拓展型麥克斯韋方程組，解決了經(jīng)典電磁學(xué)使用范圍的問題，是中國科研機(jī)構(gòu)對經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)理論創(chuàng)新作出的一次重要貢獻(xiàn)。其相關(guān)成果以《On the expanded Maxwell’s equations for moving charged media system - general theory, mathematical solutions and applications in TENG》為題，發(fā)表國際學(xué)術(shù)期刊 Materials Today上。 與靜態(tài)介質(zhì)的麥克斯韋方程組相比，王中林拓展的麥克斯韋方程組不但包涵了經(jīng)典麥克斯韋方程組的全部內(nèi)涵，同時(shí)還引入了由于帶電介質(zhì)運(yùn)動而產(chǎn)生的電磁耦合效應(yīng)以及納米發(fā)電機(jī)的理論構(gòu)架。 
麥克斯韋方程組和王中林拓展的麥克斯韋方程組對比 該方程組可應(yīng)用于高速運(yùn)動目標(biāo)的探測方面，如運(yùn)動中的高鐵、高速飛行的飛機(jī)、導(dǎo)彈、甚至星球運(yùn)行等，解決電磁波的產(chǎn)生、發(fā)射、相互作用、散射電磁波探測和目標(biāo)特征精確提取等難題。 更重要的是，由于拓展型麥克斯韋方程組中引入了速度項(xiàng)，不但可以研究最常見的多普勒效應(yīng)，同時(shí)也包括了電磁波的振幅和相位的變化，在雷達(dá)、天線、航空、航天和軍事等需要無線通訊領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。 1861年，麥克斯韋在《論物理的力線》一文中，建立了電磁場的力學(xué)模型，提出了位移電流的概念。麥克斯韋將位移電流引入到安培定律中來滿足電荷的連續(xù)性方程，從而將安培定律擴(kuò)展到時(shí)變情形。這是麥克斯韋方程組闡明電磁現(xiàn)象本質(zhì)的關(guān)鍵，使麥克斯韋認(rèn)識到光的電磁特性，從而發(fā)展出系統(tǒng)的電磁場理論。 4年后，麥克斯韋在皇家學(xué)會發(fā)表了關(guān)于電磁場動力學(xué)的論文，提出了今天我們所熟知的麥克斯韋方程組。這篇文章的發(fā)表標(biāo)志著電磁場動力學(xué)理論的初步建立，為現(xiàn)代人類社會利用電磁波奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。 麥克斯韋建立的方程組將電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)統(tǒng)一起來，在歷史上實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域的一次大一統(tǒng)。麥克斯韋提出的研究“范式”，持續(xù)影響著我們今天發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律、探索物理世界的方式。 但麥克斯韋方程組對動態(tài)介質(zhì)缺失描述，像其它的偏微分方程一樣，麥克斯韋方程組的成立是有條件的。方程（3）的成立是假設(shè)體系中介質(zhì)的形狀、分布、體積和表面都不隨時(shí)間變化，即處于靜止?fàn)顟B(tài)。如果介質(zhì)是運(yùn)動的，它的分布隨時(shí)間變化而變化，例如高速運(yùn)動的飛機(jī)，運(yùn)行的火車等等，此時(shí)方程（3）不能嚴(yán)格成立。 王中林首先意識到這個(gè)問題，為了推導(dǎo)出在有運(yùn)動介質(zhì)情況下的麥克斯韋方程組，他從原方程組的積分形式出發(fā)，結(jié)合對方程（3）的修正，建立了拓展型的麥克斯韋方程組。 “拓展麥克斯韋方程組最初動機(jī)是為了發(fā)展和完善納米發(fā)電機(jī)的理論構(gòu)架”，王中林表示，納米發(fā)電機(jī)以位移電流為驅(qū)動力，將機(jī)械能有效轉(zhuǎn)換為電能/電信號，是麥克斯韋方程組繼電磁波理論和技術(shù)后在能源與傳感方面的另一重大應(yīng)用。 王中林是納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍科學(xué)家，發(fā)明了壓電納米發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動納米系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了把散落在環(huán)境中的低頻機(jī)械能收集轉(zhuǎn)化為電能，為微納電子系統(tǒng)發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)能源自給和自驅(qū)動提供了新途徑。 |
