中科院北京奈米能源與系統研究所所長、首席科學家，中科院外籍院士王中林經過數年研究和實驗驗證，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於靜態電磁場理論推廣到運動介質的情形，成功拓展了麥克斯韋方程組的運用範圍，奠定了運動介質電動力學的理論基礎。這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。相關成果近期發表於《今日材料》。
英國物理學家麥克斯韋建立的方程組將電學、磁學和光學統一起來，實現了經典物理學領域的一次大一統。麥克斯韋方程組對現代科學和技術產生了革命性的影響，為無線通訊、廣播、航空航天、雷達、遙感、計算機和行動電話等技術的發展提供了堅實的科學基礎。
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介質描述的缺失。
王中林意識到，如果介質是運動的，它的分佈隨時間變化而變化，例如高速運動的飛機、執行的火車等，此時方程不能嚴格成立。為了推匯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示式，在電位移向量D中引入Ps項，用來推導奈米發電機的輸出功率。2019年王中林推匯出了納米發電機的輸運方程、Ps項的解析表示式，以及不同負載下奈米發電機的輸出功率和空間電磁場分佈及其輻射的通用表示式。2021年，王中林探討了運動介質的麥克斯韋方程組的廣泛應用。
“為了發展和完善奈米發電機的理論構架。”王中林談到拓展麥克斯韋方程組的最初動機時說。奈米發電機是以位移電流為驅動力將機械能有效地轉換為電能/電訊號的一個前沿研究領域。奈米發電機在微納能源、自驅動感測、藍色能源和高壓電源領域有著重要的應用前景，得到全球的廣泛關注。
奈米發電機是麥克斯韋方程組繼電磁波理論和相關技術後在能源與感測方面的另一重大應用。
王中林表示，如果將該方程組應用於高速運動目標的探測方面，比如運動中的高鐵、高速飛行的飛機甚至星球執行等，可以解決高速運動目標與電磁波相互作用、散射電磁波探測和目標特徵精確提取等難題。更重要的是，由於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，在航空、航天等需要無線通訊的領域具有巨大的潛在應用前景。
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情形，解決了經典電磁學使用範圍的問題，奠定了運動介質電動力學的理論基礎，對基礎科學和關鍵前沿技術將產生深遠影響。（記者韓揚眉）
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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.027
來源： 中國科學報
