基于全新实验发现对麦克斯韦方程组的新诠释

【导读】

麦克斯韦方程组是经典电磁学的基础，它统一了电的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培定律等经典电磁学定律。麦克斯韦方程组显示了电场和磁场之间是如何发生相互作用和传播的。由于18世纪科学技术发展的局限，这些理论还一直没有得到更新更全面的验证。麦克斯韦方程组的研究大多集中于理论推导，而实际在实验上的验证和科研发展却很少。

麦克斯韦方程组

其中，D 是指位移电场，ρ_v是指自由电荷密度，B是指磁通密度，E 是指电场强度，H是指磁场强度，J是指自由电流密度。

2016年，曹霞教授发现不断摩擦化纤衣服就可以无线点亮LED灯。随后，曹教授根据不断的摩擦可以产生变化的电场，首次发现了由摩擦产生位移电流的现象，并且成功设计了一种基于麦克斯韦位移电流的新型无线供电模式，进而迅速引起了人们对位移电流实验研究的关注。后续研究进一步发现，万物相互作用都会有能量场产生。当两个物体相互接触（拍打、摩擦、碰撞等）时，电磁场就会产生。此外，研究还发现两个受力物体之间的高频相互作用能够产生振荡的电磁波。更多的实验验证和科学发现可以为经典理论提供新的解释，帮助我们更加深入的认识世界。

【成果简介】

研究发现，摩擦会产生电场，不断地摩擦会产生变化的电场，停止摩擦后，电场能够持续存在一段时间甚至更长时间（传统定义的静电场）。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，用手将聚四氟乙烯膜不断摩擦或敲击聚甲基丙烯酸甲酯板，可以产生变化的电场，这种变化的电场类似于球形场，电场能量由力作用点向外发射并逐渐减小。电场能量还可以利用线圈收集并磁化线圈中的剪刀，通过收集产生的电场能量可以点亮1瓦灯泡。用毛皮不断摩擦塑料棒的一端，产生的变化电场也能够将一瓦灯泡点亮，与塑料棒两端相连的闭合线圈也有磁现象产生。此外，曹教授发现挥动摩擦后带静电场的塑料棒也可以产生变化的电场，不但可以无线点亮28瓦日光灯管，而且能够同时让灯管旁边的闭合线圈产生感应电流和感应电动势。由以上实验，曹教授有以下推测：正如电磁统一理论一样，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。其实电场与磁场本质上都可以归为能量场。变化的能量场一部分被有形导体收集，在导体内传递则表现为传导电流；一部分能量场在自由空间内传递，也就是传统定义的位移电流。麦克斯韦方程组和相关定律的本质可以归结为能量场在闭合自循环状态或断开非循环状态下产生的两种不同现象。如果变化的能量场处于闭合自循环状态，它就会表现出磁场的性质。但是，当变化的能量场处于断开非循环状态，它就会展现出电场的性质。因此，磁场和静电场只是变化的能量场在闭合或断开两种情况下产生的不同表现形式。本工作从新的角度诠释了法拉第电磁感应定律、麦克斯韦位移电流以及麦克斯韦方程组，这对于系统地理解麦克斯韦方程组的本质具有重要意义。该成果以题为“New insights into Maxwell’s equations based on new experimental discoveries”发表在了Composites Communications上。

【图文导读】

图1 对摩擦PMMA板产生的电场的研究

图2 对变化电场产生的感应电流和磁吸引力的研究

图3 对带静电场的物体运动所产生变化电场特点的研究

【小结】

综上所述，摩擦可以产生电场，不断地摩擦可以产生变化的电场，停止摩擦后则会有静电场存在。我们通过拍打或摩擦PMMA板，或者摩擦塑料棒产生变化的电场，从而使放置在变化的电场中的闭合线圈产生感应电流。更重要的是，变化的电场不仅可以使闭合线圈产生感应电流，同时还可以无线点亮线圈附近的28瓦日光管灯和LED灯板。这证明了场电流（位移电流）和传导电流同时存在，而导体内流动的传导电流是线圈或导线收集到的场电流形成的。通过上述实验，碰磁理论（CEMT）被首次提出，表明电磁能可以由碰撞产生。由此，我们可以发现麦克斯韦方程组的第三个方程和第四个方程在本质上是一样的，两者都是由变化的能量场产生。用导线收集到的一部分能量场就是传导电流，而另一部分未被收集到的能量场就是传统定义的位移电流。同时，电场和磁场只是能量场表现出的两种不同性质。麦克斯韦方程组和相关定律的本质是能量场在闭合自循环状态或断开非循环状态下产生的两种不同现象。第一个方程描述了断开非循环能量场，第二个方程描述了闭合自循环能量场，第三个方程解释了闭合自循环能量场如何产生感应电流，而最后一个方程解释了断开非循环能量场如何产生感应电流。基于新的实验发现和通过实验和理论的结合，这项工作将对麦克斯韦方程组、电磁理论和新能源的发展产生颠覆性的影响。

文献链接： 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。