澎湃新聞記者 王晶晶

中國科學家對麥克斯韋方程組的運用範圍進行了拓展。

1月13日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所（簡稱，納米能源所）重大原創成果發布會上，納米能源所所長、首席科學家王中林表示，其團隊經過數年研究和實驗驗證，成功地将電磁場理論推廣到運動的介質情形，對麥克斯韋方程組進行了拓展。

王中林建立的拓展型麥克斯韋方程組，解決了經典電磁學使用範圍的問題，是中國科研機構對經典物理學基礎理論創新作出的一次重要貢獻。其相關成果以《On the expanded Maxwell’s equations for moving charged media system - general theory, mathematical solutions and applications in TENG》為題，發表國際學術期刊 Materials Today上。

與靜态介質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典麥克斯韋方程組的全部内涵，同時還引入了由于帶電介質運動而産生的電磁耦合效應以及納米發電機的理論構架。

麥克斯韋方程組和王中林拓展的麥克斯韋方程組對比

該方程組可應用于高速運動目标的探測方面，如運動中的高鐵、高速飛行的飛機、導彈、甚至星球運行等，解決電磁波的産生、發射、相互作用、散射電磁波探測和目标特征精确提取等難題。

更重要的是，由于拓展型麥克斯韋方程組中引入了速度項，不但可以研究最常見的多普勒效應，同時也包括了電磁波的振幅和相位的變化，在雷達、天線、航空、航天和軍事等需要無線通訊領域有巨大應用前景。

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模型，提出了位移電流的概念。麥克斯韋将位移電流引入到安培定律中來滿足電荷的連續性方程，從而将安培定律擴展到時變情形。這是麥克斯韋方程組闡明電磁現象本質的關鍵，使麥克斯韋認識到光的電磁特性，從而發展出系統的電磁場理論。

4年後，麥克斯韋在皇家學會發表了關于電磁場動力學的論文，提出了今天我們所熟知的麥克斯韋方程組。這篇文章的發表标志着電磁場動力學理論的初步建立，為現代人類社會利用電磁波奠定了科學基礎。

麥克斯韋建立的方程組将電學、磁學和光學統一起來，在曆史上實現了經典物理學領域的一次大一統。麥克斯韋提出的研究“範式”，持續影響着我們今天發現物理規律、探索物理世界的方式。

但麥克斯韋方程組對動态介質缺失描述，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）的成立是假設體系中介質的形狀、分布、體積和表面都不随時間變化，即處于靜止狀态。如果介質是運動的，它的分布随時間變化而變化，例如高速運動的飛機，運行的火車等等，此時方程（3）不能嚴格成立。

王中林首先意識到這個問題，為了推導出在有運動介質情況下的麥克斯韋方程組，他從原方程組的積分形式出發，結合對方程（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是為了發展和完善納米發電機的理論構架”，王中林表示，納米發電機以位移電流為驅動力，将機械能有效轉換為電能/電信号，是麥克斯韋方程組繼電磁波理論和技術後在能源與傳感方面的另一重大應用。

王中林是納米科學與技術領域的領軍科學家，發明了壓電納米發電機、摩擦納米發電機和自驅動納米系統技術，實現了把散落在環境中的低頻機械能收集轉化為電能，為微納電子系統發展和物聯網、傳感網絡實現能源自給和自驅動提供了新途徑。

責任編輯：李躍群