基于全新實驗發現對麥克斯韋方程組的新詮釋

【導讀】

麥克斯韋方程組是經典電磁學的基礎，它統一了電的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第電磁感應定律和安培定律等經典電磁學定律。麥克斯韋方程組顯示了電場和磁場之間是如何發生相互作用和傳播的。由于18世紀科學技術發展的局限，這些理論還一直沒有得到更新更全面的驗證。麥克斯韋方程組的研究大多集中于理論推導，而實際在實驗上的驗證和科研發展卻很少。

麥克斯韋方程組

其中，D?是指位移電場，ρ_v是指自由電荷密度，B是指磁通密度，E?是指電場強度，H是指磁場強度，J是指自由電流密度。

2016年，曹霞教授發現不斷摩擦化纖衣服就可以無線點亮LED燈。隨后，曹教授根據不斷的摩擦可以產生變化的電場，首次發現了由摩擦產生位移電流的現象，并且成功設計了一種基于麥克斯韋位移電流的新型無線供電模式，進而迅速引起了人們對位移電流實驗研究的關注。后續研究進一步發現，萬物相互作用都會有能量場產生。當兩個物體相互接觸（拍打、摩擦、碰撞等）時，電磁場就會產生。此外，研究還發現兩個受力物體之間的高頻相互作用能夠產生振蕩的電磁波。更多的實驗驗證和科學發現可以為經典理論提供新的解釋，幫助我們更加深入的認識世界。

【成果簡介】

研究發現，摩擦會產生電場，不斷地摩擦會產生變化的電場，停止摩擦后，電場能夠持續存在一段時間甚至更長時間（傳統定義的靜電場）。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，用手將聚四氟乙烯膜不斷摩擦或敲擊聚甲基丙烯酸甲酯板，可以產生變化的電場，這種變化的電場類似于球形場，電場能量由力作用點向外發射并逐漸減小。電場能量還可以利用線圈收集并磁化線圈中的剪刀，通過收集產生的電場能量可以點亮1瓦燈泡。用毛皮不斷摩擦塑料棒的一端，產生的變化電場也能夠將一瓦燈泡點亮，與塑料棒兩端相連的閉合線圈也有磁現象產生。此外，曹教授發現揮動摩擦后帶靜電場的塑料棒也可以產生變化的電場，不但可以無線點亮28瓦日光燈管，而且能夠同時讓燈管旁邊的閉合線圈產生感應電流和感應電動勢。由以上實驗，曹教授有以下推測：正如電磁統一理論一樣，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場。其實電場與磁場本質上都可以歸為能量場。變化的能量場一部分被有形導體收集，在導體內傳遞則表現為傳導電流；一部分能量場在自由空間內傳遞，也就是傳統定義的位移電流。麥克斯韋方程組和相關定律的本質可以歸結為能量場在閉合自循環狀態或斷開非循環狀態下產生的兩種不同現象。如果變化的能量場處于閉合自循環狀態，它就會表現出磁場的性質。但是，當變化的能量場處于斷開非循環狀態，它就會展現出電場的性質。因此，磁場和靜電場只是變化的能量場在閉合或斷開兩種情況下產生的不同表現形式。本工作從新的角度詮釋了法拉第電磁感應定律、麥克斯韋位移電流以及麥克斯韋方程組，這對于系統地理解麥克斯韋方程組的本質具有重要意義。該成果以題為“New insights into Maxwell’s equations based on new experimental discoveries”發表在了Composites Communications上。

【圖文導讀】

圖1 對摩擦PMMA板產生的電場的研究

圖2 對變化電場產生的感應電流和磁吸引力的研究

圖3?對帶靜電場的物體運動所產生變化電場特點的研究

【小結】

綜上所述，摩擦可以產生電場，不斷地摩擦可以產生變化的電場，停止摩擦后則會有靜電場存在。我們通過拍打或摩擦PMMA板，或者摩擦塑料棒產生變化的電場，從而使放置在變化的電場中的閉合線圈產生感應電流。更重要的是，變化的電場不僅可以使閉合線圈產生感應電流，同時還可以無線點亮線圈附近的28瓦日光管燈和LED燈板。這證明了場電流（位移電流）和傳導電流同時存在，而導體內流動的傳導電流是線圈或導線收集到的場電流形成的。通過上述實驗，碰磁理論（CEMT）被首次提出，表明電磁能可以由碰撞產生。由此，我們可以發現麥克斯韋方程組的第三個方程和第四個方程在本質上是一樣的，兩者都是由變化的能量場產生。用導線收集到的一部分能量場就是傳導電流，而另一部分未被收集到的能量場就是傳統定義的位移電流。同時，電場和磁場只是能量場表現出的兩種不同性質。麥克斯韋方程組和相關定律的本質是能量場在閉合自循環狀態或斷開非循環狀態下產生的兩種不同現象。第一個方程描述了斷開非循環能量場，第二個方程描述了閉合自循環能量場，第三個方程解釋了閉合自循環能量場如何產生感應電流，而最后一個方程解釋了斷開非循環能量場如何產生感應電流。基于新的實驗發現和通過實驗和理論的結合，這項工作將對麥克斯韋方程組、電磁理論和新能源的發展產生顛覆性的影響。

文獻鏈接：?New insights into Maxwell’s equations based on new experimental discoveries（Composites Communications, 2023, 39, 101552. DOI:?10.1016/j.coco.2023.101552）

【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。