試析電氣工程技術與學科發(fā)展的歷史及展望！

試析電氣工程技術與學科發(fā)展的歷史及展望！

一、電氣工程技術的發(fā)展史

　　電氣工程（Electrical Engineering）是現(xiàn)代科技領域核心學科之一，電氣工程技術傳統(tǒng)的電氣工程定義為用于創(chuàng)造產生電氣與電子系統(tǒng)的有關學科的總和。21世紀的電氣工程概念已經遠遠超出這一范疇，如今電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關的工程行為。電氣工程的發(fā)展程度直接體現(xiàn)了國家的科技進步水平，因此，電氣工程的教育和科研在發(fā)達國家大學中始終占據(jù)重要地位。

　　1.電磁學理論的建立及通訊技術的發(fā)展

　　大自然中的雷電使人類對電有了最早、最樸素的認識，天然磁石吸鐵是人類對磁現(xiàn)象的最早觀察，然而，人類對電磁現(xiàn)象的研究始于16世紀的英國，1663年德國科學家蓋利克發(fā)明了摩擦起電的儀器，1729年英國科學家發(fā)現(xiàn)電荷可以通過金屬傳導等等，這是人類對電的早期實驗，之后又出現(xiàn)了一系列具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明。

　?。?）庫侖定律。1785年法國物理學家?guī)靵鐾ㄟ^扭秤測量靜電力和磁力總結出：兩個電荷之間的作用力與它們間距離的平方成反比，與它們所帶電荷量的乘積成正比，這就是著名的庫侖定律。這一發(fā)現(xiàn)的歷史意義在于它標志著人類對電磁現(xiàn)象的研究從定性階段進入了定量階段。

　?。?）“伏打電池”。1799年意大利物理學家伏特經過反復實驗發(fā)現(xiàn)把任何潮濕物體放到兩個不同金屬之間都會產生電流電氣工程技術，一年后伏特發(fā)明了世界上第一個電池，自此人類對電的研究由靜電擴大到了動電，開辟了電學研究的新領域。

　?。?）奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應和安培右手定則。1820年奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)通電鉑絲周圍的小磁針發(fā)生輕微晃動，之后他經過反復實驗證實了這一發(fā)現(xiàn)。其后安培進行了更深入的研究，提出了右手定則，發(fā)現(xiàn)了電流方向與磁針轉動方向之間的關系。安培還通過實驗發(fā)現(xiàn)了兩個通電導體和兩個通電線圈之間相互作用的規(guī)律，從而奠定了電動力學的基礎。

　　（4）法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應。英國科學家法拉第是第一個成功完成磁生電實驗的人，并歸納出產生感應電流的五種情況：一是變化著的電流；二是變化著的磁場；三是運動的穩(wěn)定電流；四是運動的磁場；五是在磁場中運動的電線。法拉第把這一現(xiàn)象叫做“電磁感應”。電磁感應的發(fā)現(xiàn)使生產電成為可能，至今，發(fā)電機、電動機、變壓器都是運用電磁感應原理工作的。

　?。?）麥克斯韋建立電磁場理論。英國數(shù)學家、物理學家麥克斯韋總結了前人的一系列成果，用數(shù)學方程式表示電磁場，建立了完整的電磁理論體系，揭示了光、電、磁本質上的統(tǒng)一，并預言了電磁波的存在。1873年他出版的電磁場理論經典著作《電磁學通論》是里程碑式的自然科學理論巨著。

　　任何科學發(fā)明與發(fā)現(xiàn)都是許許多多的科學家不懈努力的成果，德國物理學家歐姆、高斯、赫茲，美國物理學家亨利，俄國物理學家楞次等等都為電磁理論的形成作出過貢獻，本文不在一一類舉。

　　電磁理論的建立為無線電通信揭示的發(fā)展奠定了基礎，19世紀通信技術取得了突破性成果，先后發(fā)明了有線電報、有線電話和無線通信。

　　2.電工技術的初期發(fā)展

　　人類社會發(fā)展歷程中經歷了三次工業(yè)革命，對人類的進步起到了巨大的作用。第一次工業(yè)革命從18世紀中葉到19世紀中葉，以瓦特發(fā)明的蒸汽機為標志，以機械化為特征，中心在英國；第二次工業(yè)革命從19世紀后半期到20世紀中葉電氣工程技術，以工業(yè)生產電氣化為主要標志，其成果是電力、鋼鐵、化工“三大技術”與汽車、飛機和無線電通信“三大文明”，其中心在美國和德國；第三次工業(yè)革命從20世紀中葉到21世紀初，以社會生產、生活信息化為特點，又叫新技術革命。第二次工業(yè)革命就是從電工技術初創(chuàng)和應用開始的。

　　（1）直流發(fā)電機的誕生。1831年英國企業(yè)家研制出了史上第一臺發(fā)電機——蒸汽動力永磁發(fā)電機；1832年法國科學家匹克斯發(fā)明了世界上第一臺直流發(fā)動機；1866年西門子發(fā)明了自激式勵磁直流發(fā)電機；1870年格拉姆發(fā)明了實用自激直流發(fā)電機，結構可靠，電流穩(wěn)定，輸出功率大，被各國廣泛采用作為照明燈電源。

　?。?）遠距離輸電和電力工業(yè)技術體系的初步建立。1875年法國巴黎火車站建成世界上最早的一座火力發(fā)電廠。愛迪生不僅發(fā)明了燈泡，他還在1882年建立了美國第一家直流發(fā)電廠，裝有6臺直流發(fā)電機，通過電纜輸送照明用電，不過當時的最大輸送距離只有1.6km。之后愛迪生還建立了一座水電站，形成了電力工業(yè)體系的雛形。

　　（3）交流發(fā)電機電荷電動機的誕生。1876～1878年俄國人亞布洛切科夫成功試驗了單相交流輸電技術。1885年，英國工程師菲爾安基設計的第一座交流單相發(fā)電站建成。同年，美國人威斯汀豪率領的團隊完成了交流發(fā)電、供電系統(tǒng)，并創(chuàng)建了交流配電網。1883年，美籍電氣工程師特斯拉發(fā)明了世界上第一臺感應電動機，5年后他又發(fā)明了兩相異步電動機和交流電傳輸系統(tǒng)。1888年，俄國工程師德布羅夫斯基和德爾伏發(fā)明了三相交流制。1891年，德國安裝了世界上第一臺三相交流發(fā)電機，并建成了第一條三相交流輸電線路。自此，三相異步電動機得到了廣泛應用，電能逐步取代了蒸汽成為動力源，電力工業(yè)得到了迅速發(fā)展。

　　3.電工理論的建立

　?。?）電路理論的建立。關于電路的早期研究有：1778年伏特提出了電容的概念，給出了導體上儲存電荷的計算方法Q=CU；1826年歐姆發(fā)表了歐姆定律；1831年法拉第提出了電磁感應定律；1832年亨利提出了磁通量計算公式。

　　1845年德國物理學家基爾霍夫提出了關于任意電路中電流、電壓關系的基本定律：電流定律（任意時刻電路中任何一個節(jié)點的各條支路電流的代數(shù)和為零）；電壓定律（任何時刻電路中任意一個閉合回路的各元件電壓的代數(shù)和為零）。這兩個定律發(fā)展了歐姆定律，奠定了電路系統(tǒng)分析的基礎。 

　　1853年英國物理學家湯姆遜推導出了電路震蕩方程，并得出了萊頓瓶發(fā)電過程中電流在反復震蕩且不斷衰減的結論，并計算出震蕩頻率與R、L、C參數(shù)之間的關系，奠定了動態(tài)電路分析的基礎。1855年，湯姆遜還建立了長距離電纜的等效電路模型。

　　1893年美籍電氣學家施泰因梅茨提出了計算交流電路的方法——“相量法”，其實用、易懂，至今在分析正弦交流電路時依然沿用此法。

　　其間，赫爾姆霍茲提出的等效發(fā)電機原理、基爾霍夫建立的長距離架空線路發(fā)布參數(shù)電路模型、亥維賽德找出的求解電路暫態(tài)過程運算法、傅立葉用數(shù)學方法建立的熱傳導定律等等都對電工理論的豐富和完善起到了重要作用。

　?。?）電網絡理論的建立。通信技術的興起推動了電網絡理論的發(fā)展。1924年，福斯特給出了電感和電容二端網絡的電抗定理，建立了由給定頻率特性設計電路的電網絡理論。

　　1945年美國科學家伯德總結出了分析線性電路和控制系統(tǒng)的頻域分析方法。1953年梅森創(chuàng)建了采用信號流圖分析復雜回饋系統(tǒng)的方法，并被廣泛應用。20世界50年代美國科學家達默制成了第一批集成電路，電氣工程技術從此電路理論中增加了對含源器件的電路分析和綜合。20世紀70年代在L.O.Chua等科學家的努力下，器件建模理論逐漸日趨完善。20世紀中期計算機的出現(xiàn)使電網絡的計算機輔助分析和設計成為電路理論研究中的基本手段。