中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、首席科學(xué)家，中科院外籍院士王中林經(jīng)過數(shù)年研究和實驗驗證，對麥克斯韋方程組進行了成功拓展。拓展型麥克斯韋方程組將麥克斯韋方程組基于靜態(tài)電磁場理論推廣到運動介質(zhì)的情形，成功拓展了麥克斯韋方程組的運用范圍，奠定了運動介質(zhì)電動力學(xué)的理論基礎(chǔ)。這是中國科研機構(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。相關(guān)成果近期發(fā)表于《今日材料》。
英國物理學(xué)家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，實現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域的一次大一統(tǒng)。麥克斯韋方程組對現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)產(chǎn)生了革命性的影響，為無線通信、廣播、航空航天、雷達(dá)、遙感、計算機和移動電話等技術(shù)的發(fā)展提供了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。
像任何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，即麥克斯韋方程組對動態(tài)介質(zhì)描述的缺失。
王中林意識到，如果介質(zhì)是運動的，它的分布隨時間變化而變化，例如高速運動的飛機、運行的火車等，此時方程不能嚴(yán)格成立。為了推導(dǎo)出在有運動介質(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)合對方程的修正，建立了拓展型的麥克斯韋方程組。
2017年，王中林首次拓展了位移電流的表達(dá)式，在電位移矢量D中引入Ps項，用來推導(dǎo)納米發(fā)電機的輸出功率。2019年王中林推導(dǎo)出了納米發(fā)電機的輸運方程、Ps項的解析表達(dá)式，以及不同負(fù)載下納米發(fā)電機的輸出功率和空間電磁場分布及其輻射的通用表達(dá)式。2021年，王中林探討了運動介質(zhì)的麥克斯韋方程組的廣泛應(yīng)用。
“為了發(fā)展和完善納米發(fā)電機的理論構(gòu)架。”王中林談到拓展麥克斯韋方程組的最初動機時說。納米發(fā)電機是以位移電流為驅(qū)動力將機械能有效地轉(zhuǎn)換為電能/電信號的一個前沿研究領(lǐng)域。納米發(fā)電機在微納能源、自驅(qū)動傳感、藍(lán)色能源和高壓電源領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，得到全球的廣泛關(guān)注。
納米發(fā)電機是麥克斯韋方程組繼電磁波理論和相關(guān)技術(shù)后在能源與傳感方面的另一重大應(yīng)用。
王中林表示，如果將該方程組應(yīng)用于高速運動目標(biāo)的探測方面，比如運動中的高鐵、高速飛行的飛機甚至星球運行等，可以解決高速運動目標(biāo)與電磁波相互作用、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，不但可以研究最常見的多普勒效應(yīng)，同時也包括了電磁波的振幅和相位的變化，在航空、航天等需要無線通信的領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。
拓展型麥克斯韋方程組，成功將電磁場理論推廣到運動的介質(zhì)情形，解決了經(jīng)典電磁學(xué)使用范圍的問題，奠定了運動介質(zhì)電動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵前沿技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。(記者 韓揚眉)
關(guān)鍵詞： 麥克斯韋方程組 高速運動 運動介質(zhì)電動力學(xué) 靜態(tài)電磁場理論
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