曹霞教授Nano Energy：電電感應——一種通過線圈切割電場線發電的全新發現和全新方法

【引言】

你能想象用線圈切割電場線也能產生感應電流嗎？1831年，法拉第首先發現了電磁感應現象。當線圈的一部分切割磁場線時，閉合電路的線圈中會產生感應電流和感應電動勢。傳統理論認為，電場就是磁場，而磁場就是電場。然而，由閉合線圈切割電場線產生感應電流的現象還一直沒有被發現和報道。我們最近一直在研究麥克斯韋位移電流。當我們把閉合線圈放入變化的電場并進行旋轉，線圈中就會產生感應電流。也就是說，線圈和電場的相對運動將導致線圈不斷切割電場線，而線圈中能夠產生感應電流。這一發現令人振奮，在沒有外部磁鐵的情況下，通過線圈切割電場線就能夠在閉合線圈中產生感應電流，我們稱其為電電感應。也就是由變化的電場產生麥克斯韋位移電流，而麥克斯韋位移電流被線圈收集并在線圈中產生感應電流。根據這些全新發現，我們就不再需要外加磁鐵，這樣就可以實現“去磁化”和部分“去稀土化”。這是一種全新的、簡單的發電方式。我們可以利用線圈切割電場線對高壓線附近極強的高壓電場以及核反應堆輻射或核廢料堆附近產生的強電磁場進行收集，從而實現能量回收和有效利用，還可以縮減傳統復雜的發電設備、工藝和流程，為感應發電提供一種全新方式。該研究對加深電磁學統一理論和麥克斯韋方程的理解，以及對能源的產生、再生、傳輸和高效利用等領域具有重要意義。這是一個里程碑式的進步，猶如1831年法拉第發明電磁感應一樣，未來會對相關領域產生不可估量的影響。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所和北京科技大學雙聘教授曹霞發現，在一個變化的電場中旋轉一個閉合線圈也可以在線圈中產生感應電流和電動勢，而不需要任何外部磁鐵。這種全新發現被命名為電電感應（EEI），這一有趣的發現在理論和應用上都將具有重大意義。研究分析推斷了麥克斯韋位移電流和電電感應電流都是由變化的電場產生的。一個存在于空間，另一個存在于導體中。麥克斯韋位移電流被線圈收集并在導體中流動，就形成了感應電流。此外，我人們可以預期，高壓線附近極強的高壓電場，以及核反應堆或核廢料傾倒的輻射產生的強電磁場，都可以被風車驅動的旋轉線圈所收集，從而產生持續的感應電流。這項工作很可能為非電磁感應開辟新的可能性，并為電力能源的產生和傳輸模式提供了新的思路。該成果以題為“Electra-electric induction for power generation by cutting through electric field lines”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1 電離球產生的電電感應

(a) 電離球產生電電感應的實驗裝置；(b, c) 在旋轉線圈中產生的感應電流和感應電動勢（慢速：2 r/s；快速：10 r/s）；(d) 在電離球附近旋轉線圈收集的能量點亮的1瓦燈泡；(e, f) 感應電流和感應電動勢： 10 r/s）；（d）通過旋轉電離球附近的線圈收集的能量點亮一個1瓦的燈泡；（e, f）當旋轉線圈點亮1瓦的燈泡時，線圈中的感應電流和感應電動勢；（g, h）當線圈圈數增加時，感應電流和感應電動勢的變化。

圖2 電源插座產生的電電感應及對高壓電場和核輻射電磁場能量的收集

(a)電源插座產生的電電感應的實驗裝置；(b，c)線圈在不同速度下旋轉時，線圈中感應電流和感應電動勢的變化；(d)風車帶動的旋轉線圈收集大功率高壓線塔附近的高壓電場示意圖；(e)風車帶動的旋轉線圈收集核反應堆輻射或核廢料傾倒產生的電磁場示意圖。

圖3 線圈切割摩擦塑料板產生靜電場或變化電場的電電感應

(a)線圈切割摩擦塑料板產生靜電場的電電感應實驗裝置；(b, c)線圈在不同旋轉速度下的感應電流和感應電動勢變化；(d)摩擦塑料板產生變化電場而產生電電感應的實驗裝置； (e, f) 線圈旋轉前后收集變化的電場產生感應電流和感應電動勢的變化；(g) 晃動摩擦后的塑料板點亮28瓦熒光燈。

【小結】

綜上所述，線圈切割電場線將在閉合線圈中產生感應電流和感應電動勢。與法拉第的電磁感應相比，這種全新發現被稱為電電感應。麥克斯韋位移電流和電電感應產生的感應電流都是由變化的電場產生的。根據麥克斯韋位移電流的定義，麥克斯韋位移電流和產生的感應電流是同一事物（變化的電場）的兩種存在形式。一個是存在于空間的變化的能量場，另一個是導體中變化的能量場流。通過線圈收集麥克斯韋位移電流，并使其在導體中流動，就是感應電流。可見，高壓線附近極強的高壓電場，以及核反應堆輻射或核廢料傾倒產生的強電磁場，都可以由風車帶動線圈發生旋轉來收集。在沒有外部磁鐵的情況下，閉合線圈連續切割電磁場線，就會產生連續的感應電流。它提供了一種全新的、簡單的發電方式。可見，這項研究對電力和新能源領域有著深遠的影響。

文獻鏈接：?Electra-electric induction for power generation by cutting through electric field lines（Nano Energy, 2023, 112, 108519. DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108519）

【通訊作者介紹】

曹霞教授是中國科學院北京納米能源與系統研究所和北京科技大學雙聘教授，全球所有領域前十萬名科學家排行30046，是國際頂尖期刊Nano Energy期刊（IF: 19.069）副主編，Appl. Mater. Today期刊（IF: 10.041）編委，the Asian Adv. Mater. Congr.國際會議編委，教育部新世紀優秀人才，北京第14屆婦女代表大會代表，北京市三八紅旗獎章獲得者，Maxwell科學⁺創始人和園長，科普全媒體平臺顧問。

曹霞教授主要從事能源材料、能量轉換與存儲、微納器件與自驅動傳感等領域的應用研究，取得了諸多國際性0-1的原創成果，在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等國際期刊發表SCI論文170余篇，最高影響因子38.532，平均影響因子18.167。研究工作多次被頂級學術期刊、新聞媒體（瑞典國家電視臺，新華網，央視網等）深入報道，并獲得同行高度評價。曹霞教授通過系列實驗發現：萬物只要有相互碰撞、相互作用，就會有電磁能產生。基于一系列從0-1的新發現，曹霞教授提出了碰磁理論，同時結合最新發現和新理論，對多個傳統理論進行了完善和新視角的審視。曹霞教授這些顛覆人們傳統認知的發現，如同打開一扇門，必將在經典物理、天文、新能源、核能、軍事等領域產生不可估量的影響，并推動相關產業乃至全球經濟的革命性、顛覆性進步。曹霞教授已申請專利60余項，授權專利40余項，多項成果已經產業化應用，摩擦電空氣凈化和新風系統、新型顛覆性全風速風力發電系統、摩擦電美容系列產品、自驅動過濾煙嘴、聲光電力花樣水流裝置、摩擦起電教學教具、發電滑梯等已產業化上市。

2022年，曹霞教授創辦的Maxwell科學⁺被評為“首批全國科普教育基地”和“北京市科普基地”，在全國科普基地名單中排列第一位。Maxwell科學⁺致力于將全球最熱門研究領域的最前沿成果轉化為全球首創，獨一無二的科普產品，擁有100余件具有獨家知識產權的科普展品，并推出62個與前沿科學研究接軌的0-1原始創新STEM科創課程，精心制作了30多個精彩絕倫的科教影片，呈現出非同一般的科學窗口和科普平臺。其中科教大片《“魔”電》獲國家電影局特批，即將上映，詮釋了從摩擦起電到摩擦發電以及一系列從0到1的顛覆性創新與發現。此外，Maxwell科學⁺先后受到包括中央電視臺、瑞典國家電視臺、新華網等多家國內外媒體報道，還受到黨和國家領導人、地方政府、各地教育部門及集團企業等社會各界的廣泛關注和支持，受眾人數已高達數千萬。