試析電氣工程技術(shù)與學(xué)科發(fā)展的歷史及展望！

試析電氣工程技術(shù)與學(xué)科發(fā)展的歷史及展望！

一、電氣工程技術(shù)的發(fā)展史

　　電氣工程（Electrical Engineering）是現(xiàn)代科技領(lǐng)域核心學(xué)科之一，電氣工程技術(shù)傳統(tǒng)的電氣工程定義為用于創(chuàng)造產(chǎn)生電氣與電子系統(tǒng)的有關(guān)學(xué)科的總和。21世紀(jì)的電氣工程概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)的工程行為。電氣工程的發(fā)展程度直接體現(xiàn)了國(guó)家的科技進(jìn)步水平，因此，電氣工程的教育和科研在發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)中始終占據(jù)重要地位。

　　1.電磁學(xué)理論的建立及通訊技術(shù)的發(fā)展

　　大自然中的雷電使人類(lèi)對(duì)電有了最早、最樸素的認(rèn)識(shí)，天然磁石吸鐵是人類(lèi)對(duì)磁現(xiàn)象的最早觀察，然而，人類(lèi)對(duì)電磁現(xiàn)象的研究始于16世紀(jì)的英國(guó)，1663年德國(guó)科學(xué)家蓋利克發(fā)明了摩擦起電的儀器，1729年英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電荷可以通過(guò)金屬傳導(dǎo)等等，這是人類(lèi)對(duì)電的早期實(shí)驗(yàn)，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。

　　（1）庫(kù)侖定律。1785年法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^(guò)扭秤測(cè)量靜電力和磁力總結(jié)出：兩個(gè)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(kù)侖定律。這一發(fā)現(xiàn)的歷史意義在于它標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)電磁現(xiàn)象的研究從定性階段進(jìn)入了定量階段。

　?。?）“伏打電池”。1799年意大利物理學(xué)家伏特經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)把任何潮濕物體放到兩個(gè)不同金屬之間都會(huì)產(chǎn)生電流電氣工程技術(shù)，一年后伏特發(fā)明了世界上第一個(gè)電池，自此人類(lèi)對(duì)電的研究由靜電擴(kuò)大到了動(dòng)電，開(kāi)辟了電學(xué)研究的新領(lǐng)域。

　?。?）奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)和安培右手定則。1820年奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)通電鉑絲周?chē)男〈裴槹l(fā)生輕微晃動(dòng)，之后他經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。其后安培進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)方向之間的關(guān)系。安培還通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)通電導(dǎo)體和兩個(gè)通電線(xiàn)圈之間相互作用的規(guī)律，從而奠定了電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。

　?。?）法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)。英國(guó)科學(xué)家法拉第是第一個(gè)成功完成磁生電實(shí)驗(yàn)的人，并歸納出產(chǎn)生感應(yīng)電流的五種情況：一是變化著的電流；二是變化著的磁場(chǎng)；三是運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定電流；四是運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)；五是在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電線(xiàn)。法拉第把這一現(xiàn)象叫做“電磁感應(yīng)”。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使生產(chǎn)電成為可能，至今，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器都是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理工作的。

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

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

　　電磁理論的建立為無(wú)線(xiàn)電通信揭示的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，19世紀(jì)通信技術(shù)取得了突破性成果，先后發(fā)明了有線(xiàn)電報(bào)、有線(xiàn)電話(huà)和無(wú)線(xiàn)通信。

　　2.電工技術(shù)的初期發(fā)展

　　人類(lèi)社會(huì)發(fā)展歷程中經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，對(duì)人類(lèi)的進(jìn)步起到了巨大的作用。第一次工業(yè)革命從18世紀(jì)中葉到19世紀(jì)中葉，以瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)為標(biāo)志，以機(jī)械化為特征，中心在英國(guó)；第二次工業(yè)革命從19世紀(jì)后半期到20世紀(jì)中葉電氣工程技術(shù)，以工業(yè)生產(chǎn)電氣化為主要標(biāo)志，其成果是電力、鋼鐵、化工“三大技術(shù)”與汽車(chē)、飛機(jī)和無(wú)線(xiàn)電通信“三大文明”，其中心在美國(guó)和德國(guó)；第三次工業(yè)革命從20世紀(jì)中葉到21世紀(jì)初，以社會(huì)生產(chǎn)、生活信息化為特點(diǎn)，又叫新技術(shù)革命。第二次工業(yè)革命就是從電工技術(shù)初創(chuàng)和應(yīng)用開(kāi)始的。

　?。?）直流發(fā)電機(jī)的誕生。1831年英國(guó)企業(yè)家研制出了史上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)——蒸汽動(dòng)力永磁發(fā)電機(jī)；1832年法國(guó)科學(xué)家匹克斯發(fā)明了世界上第一臺(tái)直流發(fā)動(dòng)機(jī)；1866年西門(mén)子發(fā)明了自激式勵(lì)磁直流發(fā)電機(jī)；1870年格拉姆發(fā)明了實(shí)用自激直流發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)可靠，電流穩(wěn)定，輸出功率大，被各國(guó)廣泛采用作為照明燈電源。

　　（2）遠(yuǎn)距離輸電和電力工業(yè)技術(shù)體系的初步建立。1875年法國(guó)巴黎火車(chē)站建成世界上最早的一座火力發(fā)電廠。愛(ài)迪生不僅發(fā)明了燈泡，他還在1882年建立了美國(guó)第一家直流發(fā)電廠，裝有6臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，通過(guò)電纜輸送照明用電，不過(guò)當(dāng)時(shí)的最大輸送距離只有1.6km。之后愛(ài)迪生還建立了一座水電站，形成了電力工業(yè)體系的雛形。

　?。?）交流發(fā)電機(jī)電荷電動(dòng)機(jī)的誕生。1876～1878年俄國(guó)人亞布洛切科夫成功試驗(yàn)了單相交流輸電技術(shù)。1885年，英國(guó)工程師菲爾安基設(shè)計(jì)的第一座交流單相發(fā)電站建成。同年，美國(guó)人威斯汀豪率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成了交流發(fā)電、供電系統(tǒng)，并創(chuàng)建了交流配電網(wǎng)。1883年，美籍電氣工程師特斯拉發(fā)明了世界上第一臺(tái)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，5年后他又發(fā)明了兩相異步電動(dòng)機(jī)和交流電傳輸系統(tǒng)。1888年，俄國(guó)工程師德布羅夫斯基和德?tīng)柗l(fā)明了三相交流制。1891年，德國(guó)安裝了世界上第一臺(tái)三相交流發(fā)電機(jī)，并建成了第一條三相交流輸電線(xiàn)路。自此，三相異步電動(dòng)機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，電能逐步取代了蒸汽成為動(dòng)力源，電力工業(yè)得到了迅速發(fā)展。

　　3.電工理論的建立

　　（1）電路理論的建立。關(guān)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(dǎo)體上儲(chǔ)存電荷的計(jì)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(yīng)定律；1832年亨利提出了磁通量計(jì)算公式。

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

　　1853年英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜推導(dǎo)出了電路震蕩方程，并得出了萊頓瓶發(fā)電過(guò)程中電流在反復(fù)震蕩且不斷衰減的結(jié)論，并計(jì)算出震蕩頻率與R、L、C參數(shù)之間的關(guān)系，奠定了動(dòng)態(tài)電路分析的基礎(chǔ)。1855年，湯姆遜還建立了長(zhǎng)距離電纜的等效電路模型。

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

　　其間，赫爾姆霍茲提出的等效發(fā)電機(jī)原理、基爾霍夫建立的長(zhǎng)距離架空線(xiàn)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(guò)程運(yùn)算法、傅立葉用數(shù)學(xué)方法建立的熱傳導(dǎo)定律等等都對(duì)電工理論的豐富和完善起到了重要作用。

　?。?）電網(wǎng)絡(luò)理論的建立。通信技術(shù)的興起推動(dòng)了電網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展。1924年，福斯特給出了電感和電容二端網(wǎng)絡(luò)的電抗定理，建立了由給定頻率特性設(shè)計(jì)電路的電網(wǎng)絡(luò)理論。

　　1945年美國(guó)科學(xué)家伯德總結(jié)出了分析線(xiàn)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(hào)流圖分析復(fù)雜回饋系統(tǒng)的方法，并被廣泛應(yīng)用。20世界50年代美國(guó)科學(xué)家達(dá)默制成了第一批集成電路，電氣工程技術(shù)從此電路理論中增加了對(duì)含源器件的電路分析和綜合。20世紀(jì)70年代在L.O.Chua等科學(xué)家的努力下，器件建模理論逐漸日趨完善。20世紀(jì)中期計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使電網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)成為電路理論研究中的基本手段。