中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、首席科學家，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，奠定了運動介質電動力學的理論基礎。這是中國科研機構對經(jīng)典物理學基礎理論創(chuàng)新作出的一次重要貢獻。相關成果近期發(fā)表于《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(tǒng)一起來，實現(xiàn)了經(jīng)典物理學領域的一次大一統(tǒng)。麥克斯韋方程組對現(xiàn)代科學和技術產(chǎn)生了革命性的影響，為無線通信、廣播、航空航天、雷達、遙感、計算機和移動電話等技術的發(fā)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(tài)介質描述的缺失。
王中林意識到，如果介質是運動的，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，此時方程不能嚴格成立。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(fā)，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達式，在電位移矢量D中引入Ps項，用來推導納米發(fā)電機的輸出功率。2019年王中林推導出了納米發(fā)電機的輸運方程、Ps項的解析表達式，以及不同負載下納米發(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(fā)展和完善納米發(fā)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。納米發(fā)電機是以位移電流為驅動力將機械能有效地轉換為電能/電信號的一個前沿研究領域。納米發(fā)電機在微納能源、自驅動傳感、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。
納米發(fā)電機是麥克斯韋方程組繼電磁波理論和相關技術后在能源與傳感方面的另一重大應用。
王中林表示，如果將該方程組應用于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運行等，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，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(jīng)典電磁學使用范圍的問題，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(chǎn)生深遠影響。(記者 韓揚眉)
關鍵詞： 麥克斯韋方程組 高速運動 運動介質電動力學 靜態(tài)電磁場理論
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