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中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林拓展麦克斯韦方程组

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中国科学家对麦克斯韦方程组的运用范围进行了拓展。
1月13日,在中国科学院北京纳米能源与系统研究所(简称,纳米能源所)重大原创成果发布会上,纳米能源所所长、首席科学家王中林表示,其团队经过数年研究和实验验证,成功地将电磁场理论推广到运动的介质情形,对麦克斯韦方程组进行了拓展。
王中林建立的拓展型麦克斯韦方程组,解决了经典电磁学使用范围的问题,是中国科研机构对经典物理学基础理论创新作出的一次重要贡献。其相关成果以《On the expanded Maxwell’s equations for moving charged media system - general theory, mathematical solutions and applications in TENG》为题,发表国际学术期刊 Materials Today上。
与静态介质的麦克斯韦方程组相比,王中林拓展的麦克斯韦方程组不但包涵了经典麦克斯韦方程组的全部内涵,同时还引入了由于带电介质运动而产生的电磁耦合效应以及纳米发电机的理论构架。

麦克斯韦方程组和王中林拓展的麦克斯韦方程组对比

该方程组可应用于高速运动目标的探测方面,如运动中的高铁、高速飞行的飞机、导弹、甚至星球运行等,解决电磁波的产生、发射、相互作用、散射电磁波探测和目标特征精确提取等难题。
更重要的是,由于拓展型麦克斯韦方程组中引入了速度项,不但可以研究最常见的多普勒效应,同时也包括了电磁波的振幅和相位的变化,在雷达、天线、航空、航天和军事等需要无线通讯领域有巨大应用前景。
1861年,麦克斯韦在《论物理的力线》一文中,建立了电磁场的力学模型,提出了位移电流的概念。麦克斯韦将位移电流引入到安培定律中来满足电荷的连续性方程,从而将安培定律扩展到时变情形。这是麦克斯韦方程组阐明电磁现象本质的关键,使麦克斯韦认识到光的电磁特性,从而发展出系统的电磁场理论。
4年后,麦克斯韦在皇家学会发表了关于电磁场动力学的论文,提出了今天我们所熟知的麦克斯韦方程组。这篇文章的发表标志着电磁场动力学理论的初步建立,为现代人类社会利用电磁波奠定了科学基础。
麦克斯韦建立的方程组将电学、磁学和光学统一起来,在历史上实现了经典物理学领域的一次大一统。麦克斯韦提出的研究“范式”,持续影响着我们今天发现物理规律、探索物理世界的方式。
但麦克斯韦方程组对动态介质缺失描述,像其它的偏微分方程一样,麦克斯韦方程组的成立是有条件的。方程(3)的成立是假设体系中介质的形状、分布、体积和表面都不随时间变化,即处于静止状态。如果介质是运动的,它的分布随时间变化而变化,例如高速运动的飞机,运行的火车等等,此时方程(3)不能严格成立。
王中林首先意识到这个问题,为了推导出在有运动介质情况下的麦克斯韦方程组,他从原方程组的积分形式出发,结合对方程(3)的修正,建立了拓展型的麦克斯韦方程组。
“拓展麦克斯韦方程组最初动机是为了发展和完善纳米发电机的理论构架”,王中林表示,纳米发电机以位移电流为驱动力,将机械能有效转换为电能/电信号,是麦克斯韦方程组继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用。
王中林是纳米科学与技术领域的领军科学家,发明了压电纳米发电机、摩擦纳米发电机和自驱动纳米系统技术,实现了把散落在环境中的低频机械能收集转化为电能,为微纳电子系统发展和物联网、传感网络实现能源自给和自驱动提供了新途径。

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