曹霞教授Nano Energy：电电感应——一种通过线圈切割电场线发电的全新发现和全新方法

【引言】

你能想象用线圈切割电场线也能产生感应电流吗？1831年，法拉第首先发现了电磁感应现象。当线圈的一部分切割磁场线时，闭合电路的线圈中会产生感应电流和感应电动势。传统理论认为，电场就是磁场，而磁场就是电场。然而，由闭合线圈切割电场线产生感应电流的现象还一直没有被发现和报道。我们最近一直在研究麦克斯韦位移电流。当我们把闭合线圈放入变化的电场并进行旋转，线圈中就会产生感应电流。也就是说，线圈和电场的相对运动将导致线圈不断切割电场线，而线圈中能够产生感应电流。这一发现令人振奋，在没有外部磁铁的情况下，通过线圈切割电场线就能够在闭合线圈中产生感应电流，我们称其为电电感应。也就是由变化的电场产生麦克斯韦位移电流，而麦克斯韦位移电流被线圈收集并在线圈中产生感应电流。根据这些全新发现，我们就不再需要外加磁铁，这样就可以实现“去磁化”和部分“去稀土化”。这是一种全新的、简单的发电方式。我们可以利用线圈切割电场线对高压线附近极强的高压电场以及核反应堆辐射或核废料堆附近产生的强电磁场进行收集，从而实现能量回收和有效利用，还可以缩减传统复杂的发电设备、工艺和流程，为感应发电提供一种全新方式。该研究对加深电磁学统一理论和麦克斯韦方程的理解，以及对能源的产生、再生、传输和高效利用等领域具有重要意义。这是一个里程碑式的进步，犹如1831年法拉第发明电磁感应一样，未来会对相关领域产生不可估量的影响。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所和北京科技大学双聘教授曹霞发现，在一个变化的电场中旋转一个闭合线圈也可以在线圈中产生感应电流和电动势，而不需要任何外部磁铁。这种全新发现被命名为电电感应（EEI），这一有趣的发现在理论和应用上都将具有重大意义。研究分析推断了麦克斯韦位移电流和电电感应电流都是由变化的电场产生的。一个存在于空间，另一个存在于导体中。麦克斯韦位移电流被线圈收集并在导体中流动，就形成了感应电流。此外，我人们可以预期，高压线附近极强的高压电场，以及核反应堆或核废料倾倒的辐射产生的强电磁场，都可以被风车驱动的旋转线圈所收集，从而产生持续的感应电流。这项工作很可能为非电磁感应开辟新的可能性，并为电力能源的产生和传输模式提供了新的思路。该成果以题为“Electra-electric induction for power generation by cutting through electric field lines”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1 电离球产生的电电感应

(a) 电离球产生电电感应的实验装置；(b, c) 在旋转线圈中产生的感应电流和感应电动势（慢速：2 r/s；快速：10 r/s）；(d) 在电离球附近旋转线圈收集的能量点亮的1瓦灯泡；(e, f) 感应电流和感应电动势： 10 r/s）；（d）通过旋转电离球附近的线圈收集的能量点亮一个1瓦的灯泡；（e, f）当旋转线圈点亮1瓦的灯泡时，线圈中的感应电流和感应电动势；（g, h）当线圈圈数增加时，感应电流和感应电动势的变化。

图2 电源插座产生的电电感应及对高压电场和核辐射电磁场能量的收集

(a)电源插座产生的电电感应的实验装置；(b，c)线圈在不同速度下旋转时，线圈中感应电流和感应电动势的变化；(d)风车带动的旋转线圈收集大功率高压线塔附近的高压电场示意图；(e)风车带动的旋转线圈收集核反应堆辐射或核废料倾倒产生的电磁场示意图。

图3 线圈切割摩擦塑料板产生静电场或变化电场的电电感应

(a)线圈切割摩擦塑料板产生静电场的电电感应实验装置；(b, c)线圈在不同旋转速度下的感应电流和感应电动势变化；(d)摩擦塑料板产生变化电场而产生电电感应的实验装置； (e, f) 线圈旋转前后收集变化的电场产生感应电流和感应电动势的变化；(g) 晃动摩擦后的塑料板点亮28瓦荧光灯。

【小结】

综上所述，线圈切割电场线将在闭合线圈中产生感应电流和感应电动势。与法拉第的电磁感应相比，这种全新发现被称为电电感应。麦克斯韦位移电流和电电感应产生的感应电流都是由变化的电场产生的。根据麦克斯韦位移电流的定义，麦克斯韦位移电流和产生的感应电流是同一事物（变化的电场）的两种存在形式。一个是存在于空间的变化的能量场，另一个是导体中变化的能量场流。通过线圈收集麦克斯韦位移电流，并使其在导体中流动，就是感应电流。可见，高压线附近极强的高压电场，以及核反应堆辐射或核废料倾倒产生的强电磁场，都可以由风车带动线圈发生旋转来收集。在没有外部磁铁的情况下，闭合线圈连续切割电磁场线，就会产生连续的感应电流。它提供了一种全新的、简单的发电方式。可见，这项研究对电力和新能源领域有着深远的影响。

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

【通讯作者介绍】

曹霞教授是中国科学院北京纳米能源与系统研究所和北京科技大学双聘教授，全球所有领域前十万名科学家排行30046，是国际顶尖期刊Nano Energy期刊（IF: 19.069）副主编，Appl. Mater. Today期刊（IF: 10.041）编委，the Asian Adv. Mater. Congr.国际会议编委，教育部新世纪优秀人才，北京第14届妇女代表大会代表，北京市三八红旗奖章获得者，Maxwell科学⁺创始人和园长，科普全媒体平台顾问。

曹霞教授主要从事能源材料、能量转换与存储、微纳器件与自驱动传感等领域的应用研究，取得了诸多国际性0-1的原创成果，在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际期刊发表SCI论文170余篇，最高影响因子38.532，平均影响因子18.167。研究工作多次被顶级学术期刊、新闻媒体（瑞典国家电视台，新华网，央视网等）深入报道，并获得同行高度评价。曹霞教授通过系列实验发现：万物只要有相互碰撞、相互作用，就会有电磁能产生。基于一系列从0-1的新发现，曹霞教授提出了碰磁理论，同时结合最新发现和新理论，对多个传统理论进行了完善和新视角的审视。曹霞教授这些颠覆人们传统认知的发现，如同打开一扇门，必将在经典物理、天文、新能源、核能、军事等领域产生不可估量的影响，并推动相关产业乃至全球经济的革命性、颠覆性进步。曹霞教授已申请专利60余项，授权专利40余项，多项成果已经产业化应用，摩擦电空气净化和新风系统、新型颠覆性全风速风力发电系统、摩擦电美容系列产品、自驱动过滤烟嘴、声光电力花样水流装置、摩擦起电教学教具、发电滑梯等已产业化上市。

2022年，曹霞教授创办的Maxwell科学⁺被评为“首批全国科普教育基地”和“北京市科普基地”，在全国科普基地名单中排列第一位。Maxwell科学⁺致力于将全球最热门研究领域的最前沿成果转化为全球首创，独一无二的科普产品，拥有100余件具有独家知识产权的科普展品，并推出62个与前沿科学研究接轨的0-1原始创新STEM科创课程，精心制作了30多个精彩绝伦的科教影片，呈现出非同一般的科学窗口和科普平台。其中科教大片《“魔”电》获国家电影局特批，即将上映，诠释了从摩擦起电到摩擦发电以及一系列从0到1的颠覆性创新与发现。此外，Maxwell科学⁺先后受到包括中央电视台、瑞典国家电视台、新华网等多家国内外媒体报道，还受到党和国家领导人、地方政府、各地教育部门及集团企业等社会各界的广泛关注和支持，受众人数已高达数千万。