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  前言………………………………………………………117

  電磁現象的發現和電池的發明…………………………117

   近代電磁研究的發端…………………………………117

   電池的發明………………………………………………118

  電磁感應定律和早期的電機……………………………118

   法拉第的工作…………………………………………118

   早期的電機……………………………………………119

  電報和電話的發明………………………………………119

   莫爾斯電報和大西洋海底電纜………………………119

   電話的發明……………………………………………119

  電照明和電機的發展……………………………………119

   白熾燈…………………………………………………119

   電機的改進與交流電系統……………………………120

  發電廠和電力傳輸………………………………………120

   電廠出現………………………………………………120

   電力傳輸………………………………………………120

  電工理論的形成與發展…………………………………121

   電路理論………………………………………………121

   電磁場理論……………………………………………121

  電工科技的現狀與展望…………………………………122

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前  言

  電能的工業應用大約起始於19世紀中後期,至今有一百多年的歷史。它給人類社會的許多方面帶來瞭巨大而深刻的影響。

  從廣義上說,電工科學技術是與研究電磁現象的應用有關的基礎科學、技術學科及工程技術的綜合。這包括電磁形式的能量,信息的產生、傳輸、控制、處理、測量,有關的系統運行,設備制造技術等多方面的內容。19世紀末,電工技術已形成瞭電力和電信兩大分支。進入20世紀以後,電工科技的發展更為迅速,應用電磁現象的技術門類日益增多,發展和形成瞭許多獨立的學科,如無線電技術、電子技術、自動控制技術等等。電工科技通常主要是指電力工程及其設備制造的科學技術。

  電工科學技術所依據的基本原理大都是由物理學、數學等純科學中提出來的。依據基本原理,結合技術、工藝、經濟等各方面的條件,研究可供應用的電工技術,制造出適應各種需要的電工產品,就是電工科技的主要領域。與電工技術直接有關的部門已形成龐大的工業體系,有關的理論也有許多分支。電力工業與社會生產、公眾生活、文化教育等各方面有著十分密切的關系,是現代社會的重要支柱。

電磁現象的發現和電池的發明

  人類從自然界的電閃雷鳴和天然磁石上開始註意到電磁現象。中國古代(公元前1100~前771)的青銅器“番生簋”上就出現瞭“電”字(見圖)。在希臘和中國的古代文獻中都有關於天然磁石吸鐵和摩擦琥珀吸引細微物體的記載。在朝鮮樂浪郡的漢墓中出土的司南是最早應用電磁現象的實物(見圖)。司南由一個用天然磁石鑿成的勺和一個銅制的方盤組成,盤的中央光滑,四周有表示方向的刻度。使用時擲勺於盤上,勺停止轉動時,柄就指向南方。唐朝(618~907)的指南儀器有瞭改進,《武經總要》書中記載有“將軍用指南魚”。宋朝的科學傢沈括在他所著的《夢溪筆談》中詳細介紹瞭制作人造磁針的方法,當時指南針已被廣泛應用。

番生簋銘文中的“電”字

司南復原模型

  近代電磁研究的發端 公元16世紀,歐洲對電磁現象的研究漸多。英國W.吉伯提出,磁針指南是由於地球本身是一個大磁體。他又由希臘文“琥珀”(

)創造瞭英文的“電”字(electrum)。1644年中國的劉獻廷在《廣陽雜記》中記錄瞭磁屏蔽現象(見圖)。1729年英國S.格雷區分材料為兩類──導體和絕緣體。1733年法國C.F.迪費發現摩擦玻璃棒和膠木棒時,二者所帶電荷性質不同,同性相斥,異性相吸。1745年荷蘭萊頓大學教師 P.van 穆申佈魯克與德國的E.G.von 克萊斯特分別發明瞭最早的電容器──萊頓瓶。俄國Г.Β.裡赫曼發明瞭驗電器。1752年美國 B.富蘭克林進行瞭風箏實驗,認識到自然界的雷閃與萊頓瓶的放電都是放電現象。富蘭克林還發明瞭 避雷針,這是靜電現象早期的應用。

《廣陽雜記》中關於磁屏蔽的記載

  1758年俄國Ф.у.Τ.艾皮努斯提出電荷守恒原理,並發現介質極化作用。1775年意大利A.G.A.A.伏打發明靜電起電盤。他在1778年又論述瞭導體容納電荷的能力,提出瞭電容的概念。

  靜電學定律 1766年英國J.普裡斯特利根據富蘭克林向他提出的空心導體帶電僅在外表面的現象,推測靜電作用力與萬有引力相似,與距離的平方成反比。1785~1789年,法國C.-A.庫侖設計並進行瞭著名的靜電扭秤實驗,建立瞭靜電作用力的平方反比定律,即今所稱的庫侖定律。後來他又將這一定律應用到磁極間的作用力。當時對萬有引力已有較多的認識。P.S.拉普拉斯在1782年就提出瞭有關萬有引力的空間分佈的拉普拉斯方程。1828年法國S.D.泊松根據庫侖定律,仿照引力理論的方法,將拉普拉斯方程推廣應用於靜電場,並提出靜電場的泊松方程。德國C.F.高斯提出瞭數學上的高斯定理(散度定理),1813年將之應用於靜電場,得出靜電場的高斯定理。

圖1 庫侖的扭秤實驗裝置

  電與磁的聯系 1820年丹麥H.C.奧斯特註意到,當發生雷閃時附近的磁針發生抖動,他猜想這是雷閃放電時電流的作用。經過反復實驗,他觀察到在載流導線附近的磁針發生偏轉,這表明電流有磁效應。法國A.-M.安培高度評價奧斯特的發現,認為這揭示瞭磁性來源於電流,由此他提出“分子電流”的概念來解釋永久磁鐵的磁性。他精心設計瞭一系列實驗,並得出瞭確定載流導線中的電流相互作用力的大小和方向的法則。他又根據電流元產生的磁場性質提出瞭磁通連續性定理;1825年又提出瞭著名的安培環路定律。與安培同時,法國J.畢奧和F.薩伐爾重復驗證瞭奧斯特的實驗,研究電流的磁場作用於磁針兩端上的力的大小和方向,導出瞭相應的公式,後來人們稱之為畢奧-薩伐爾定律。拉普拉斯證明,這個公式應用於閉合電流回路,與用安培環路定律得出的結果是相同的。

圖2 奧斯特發現電流的磁效應

  德國J.S.C.施魏格爾根據奧斯特的發現,在多匝線圈中放置磁針,制成瞭最早的電流檢測裝置,稱為倍增器(1820)。奧斯特的發現及安培的工作還引起英國科學傢M.法拉第的註意。1821年他設計瞭一個水銀杯實驗,首次展示瞭由電磁力產生不間斷的機械運動。1821年德國T.J.塞貝克發現,由兩種不同金屬聯接成的回路,當兩個接點的溫度不同時,回路中便出現電流,存在著溫差電動勢。這種裝置稱為溫差電偶。

圖3 法拉第的水銀杯實驗

  1826年德國G.S.歐姆深入研究瞭導線傳送電流的能力。他用銅、鉍溫差電偶產生的穩定電動勢向導線回路供給電流,試驗瞭多種材料對電流通過具有的阻力,並稱之為電阻。1826年他發表瞭著名的定律:在恒定溫度下,導線回路中的電流等於回路中的電動勢與電阻之比。歐姆又將這一定律推廣於任意一段導線上,並得出導線中的電流等於這一段導線上的電壓與電阻之比。這兩條定律人們都稱之為歐姆定律。

  1840年J.P.焦耳對電流經過導線電阻產生的熱進行瞭實驗測定。這一熱量正比於電阻與電流平方的乘積,這就是著名的焦耳定律。

  電池的發明 1780年意大利生物學傢L.伽伐尼發現,在解剖青蛙的過程中,當金屬器械觸及蛙體神經而附近又有雷電時,蛙腿肌肉發生劇烈收縮。人們稱這一現象為伽伐尼效應。伏打對這個效應進行瞭研究,並為此研制瞭靈敏的電位計。隨後他發現瞭不同金屬間的接觸電動勢,提出瞭不同金屬的起電次序:鋅-鉛-錫-鐵-銅。兩種金屬接觸時,次序在前的金屬帶正電,在後的帶負電。

圖4 伏打發明的電堆

  1800年伏打創制瞭最早的化學電池,人們稱之為“伏打電堆”。這電池由許多單元堆疊成柱狀。每一單元由銅片和鋅片以及中間所置用酸性溶液浸濕的佈片構成。伏打電堆可以引起持續的電流,為此後研究電流的作用提供瞭電源。

  1802年俄國Β.Β.彼得羅夫用伏打電堆研究放電現象,發現瞭電弧。他指出電弧的發光和產生的高溫將在照明和加熱中得到應用。英國H.戴維也獨立地發現瞭電弧,並進行瞭電解的研究。這些研究和應用,對促進以後電能應用的發展,起瞭重要的作用。

   電磁感應定律和早期的電機

  法拉第的工作 1831年法拉第發表瞭著名的電磁感應定律:一個線圈中產生的感應電流與線圈在單位時間所割切的磁力線多少成正比,與線圈導線的電阻成反比。這一定律將磁的現象與電的現象聯系起來。這不僅有著重要的理論意義,而且提供瞭廣闊的實用前景。1834年俄國Э.Ⅹ.楞次提出感應電流方向的定律:感應電流的方向在於沿該方向的電流所產生的磁通趨於阻礙磁通的變化。

  法拉第在1834年發表瞭電解定律:電解中析出物質的量與所通過的電量成正比,也與析出物質的化學當量成正比。這成為以後電解、電鍍等應用的理論依據,而且是對元素性質與電荷的關系在認識上的一大進步。

  早期的電機 法拉第根據電磁感應定律,在1831年制出圓盤發電機,將驅動圓盤用的機械能轉變成電能。這是第一架電磁式發電機。它意味著可以通過水輪機用水能或蒸汽機用熱能做功獲得電能,以代替昂貴的伏打電堆。這立即引起人們的極大關註。幾個月以後,意大利教授S.S.內格羅制成一臺往復式發電機模型。1832年法國巴黎的一位儀表師A.H.皮克西也制成一臺發電機模型,用旋轉的線圈代替法拉第圓盤,發出交流電。次年他在電機軸上加裝瞭金屬換向片引出直流電。

  電機的勵磁 1851年德國科學傢W.J.辛斯特登提出瞭勵磁方案,用通電流的線圈代替永久磁鐵。這是勵磁方式的第一次改進。1854年丹麥科學傢S.約爾特設計和制成自激發電機,這是電機勵磁方式和結構上的又一次重大發展。1866年前後,英國工程師S.A.瓦利、C.惠斯通和德國電氣工程師E.W.von西門子等人相繼獨立制成瞭自激發電機。惠斯通采用並激勵磁,西門子采用串激勵磁。當時制作出的電機普遍有電流不穩的缺點。直到1870年,在巴黎的比利時發明傢Z.T.格拉姆對意大利物理學傢A.帕奇諾蒂在1859年研制的環形電樞發電機模型作瞭改進,他用疊片式環形電樞在上下兩個磁極間旋轉,並采用金屬換向器。這一電機電流較為穩定,取得瞭專利,先後在巴黎和維也納展出,受到人們重視。這個發電機雖然效率還不高,但能提供較高的電壓,發出較大的功率(最大達100千瓦),具有一定的實用價值。至此,電流的產生不再依賴實驗裝置,而有結構可靠、由原動機驅動、可以產生大電流的發電機可用瞭。

  早期的實用電機 1873年德國工程師F.赫夫納-阿爾滕內克設計瞭一種鼓形電樞,簡化瞭電機的結構,減少瞭銅線用量,降低瞭成本,造出瞭容量大、效率高、更具有推廣價值的發電機。此後,又經美國H.S.馬克西姆等人改進電樞,采用瞭磁場補償線圈與換向極,直流電機在1880年便具有瞭現代電機的基本結構。

  1823~1825年,英國人P.巴洛、斯特金和美國J.亨利分別制作瞭電磁鐵,證實瞭電磁作用可以產生吸引力。T.達文波特在亨利的支持下於1834年制造瞭一臺直流電動機,並於次年用它驅動一輛小車。1838年在俄國彼得堡,Б.С.雅科比根據法拉第的理論獨立地設計制作瞭一臺電動機,並用它驅動一條小船在涅瓦河上航行瞭一段,初步顯示瞭電動機的實用性。

  19世紀80年代以前,人們從電池得到直流電,因此各國科學傢大多致力於直流電機的研制,並有一些直流發電機開始投入運行,導致公用供電系統的出現。1874年俄國Ф.Α.皮羅茨基進行瞭3.6公裡的直流輸電試驗,發現電壓降落和電能損耗太大,難以推廣應用。1880和1881年,俄國Д.Α.拉契諾夫和法國M.德普勒分別提出用高壓直流電輸電以減少損耗。試驗結果表明,當時產生高壓直流電有困難,而且用戶使用也有不便,於是人們轉而研究發展交流電,這就促進瞭交流電技術的發展。

電報和電話的發明

  早在1804年西班牙工程師D.F.薩爾瓦就研究用導線傳送電流和信息。隨後進行這一研究的也不少,但都未達到實際應用的水平。直到1837年,英國W.F.庫克和惠斯通制成瞭雙針式電報接收機,並用於利物浦的鐵路線上。1839年雅可比發明瞭電磁式電報記錄儀,提高瞭收報的可靠性。同年德國西門子取得他制作的電報機的專利。

  莫爾斯電報和大西洋海底電纜 1838年美國S.F.B.莫爾斯發明瞭以點劃組成的電碼代表不同的字母或信息,即沿用至今的莫爾斯電碼。他研究瞭當時各種電報機的優缺點之後,又采用瞭亨利1835年發明的繼電器以驅動紙帶並記錄所接收的信號,完成瞭商用電報機。1844年由美國政府資助建成從華盛頓到巴爾的摩的電報線路,正式提供商用通報。此後歐洲各國也陸續采用莫爾斯電碼和裝置,電報的使用從此迅速擴大,電報線路的敷設由此加快。

  英國W.湯姆孫(即後來的開爾文勛爵)參加瞭敷設大西洋海底電纜的工作。從1856年開始,經過多次失敗,歷時10年,終於成功,實現瞭從英國到美國之間的越過大洋的通報。到1869年,實現瞭包括越過太平洋、印度洋在內的全球范圍的海底電纜網。

  電話的發明 電報的使用促進瞭電話的發明。1876年美國A.G.貝爾在工程師T.沃森的協助下,試驗成功電話。1877年美國T.A.愛迪生發明瞭阻抗式發話器,改進瞭電話的效果。1878年美國的商用電話投入使用。兩年後,美國已有48000臺電話機,通信事業成瞭重要的企業部門。電報、電話的出現推動瞭電工理論,特別是電路理論的形成和發展。

 電照明和電機的發展

  電弧雖能發出強光,卻因為需要很多電池才能提供足夠的電壓以產生電弧,因而並未廣泛用作照明。直到發電機有所發展,電照明重新引起人們註意。1844年法國J.B.L.傅科制成以木炭為電極的弧光燈,但電極消耗很快。1854年H.格貝爾在美國用玻璃泡密封炭化竹絲的電燈泡,使用時間仍然不長。

  白熾燈 美國愛迪生在試驗瞭一千多種材料之後,提高燈泡中的真空度,制成瞭耐用的炭絲燈泡,並於1879年取得美國專利。與他同時,英國J.W.斯旺也制出瞭耐用的炭絲燈泡。由此兩人產生發明專利權的爭執。最後於1883年以在英國成立愛迪生與斯旺聯合電燈公司解決瞭爭端。使用方便的炭絲白熾燈很快普及到千傢萬戶,並取代瞭公共場所一度流行的煤氣燈和弧光燈,此燈在歐洲一些城市被稱為“電氣”(electric gas)。炭絲燈的使用壽命畢竟不長。1909年美國W.D.庫利奇開發瞭鎢絲的拉絲工藝後,於1912年試制成鎢絲燈泡,取得專利後,讓給美國通用電氣公司生產。以後鎢絲燈泡取代炭絲燈泡,成為最普及的照明用具。電燈的廣泛使用,是電能應用的一次大普及,並改變瞭人們的生活;同時也增加瞭對電能的需求,促進瞭電機制造技術的進一步發展。

  電機的改進與交流電系統 19世紀中電機的制造技術逐步改進,實用的直流發電機漸趨完善。1878年美國C.F.佈拉什在電機轉子上開槽以放置繞組導線,轉子的受力大部分轉移到槽壁上,增加瞭電機的總體機械強度。1883年英國J.克雷格在電機中采用疊片磁極及通風間隙。G.W.富勒采用疊片轉子。1885年瑞士A.梅隆提出疊式繞組。用類比於光的幹涉現象,意大利G.費拉裡斯在1885年提出瞭交流電機的旋轉磁場理論,這是交流電機理論的重要進展。1886年美籍南斯拉夫工程師N.特斯拉制成瞭三相感應電動機。1889年俄國Μ.Ο.多利沃-多佈羅沃利斯基發明瞭三相鼠籠式感應電動機。這種電機結構簡單堅固、成本低廉,很快就成為使用得最多的電動機,促進瞭交流電在動力上的應用。

  19世紀80年代,直流電的工業應用已有一定的規模,但人們也認識到,用當時的直流電技術實現大量地傳輸電能是有困難的。於是,發展交流發電輸電技術成為當時的迫切需要。

  愛迪生對於發展交流電技術持強烈的反對觀點,而美國的G.威斯汀豪斯及其創建的西屋電氣公司則積極開發交流電及其應用技術。經過激烈的競爭,後者取得瞭成功。

發電廠和電力傳輸

  1876年俄國П.Н.雅佈洛奇科夫建立瞭為照明供電用的交流電廠,采用瞭不閉合鐵心的變壓器以改變電壓。1882年 И.Ф.烏薩金在全俄展覽會上展出瞭升壓變壓器和降壓變壓器。1883年在英國倫敦博覽會上展出瞭L.戈拉爾和J.D.吉佈斯的變壓器,容量達5千伏安,仍然用不閉合鐵心。1885年匈牙利M.德裡研制出閉合磁路的單相幹式變壓器。采用這種結構使變壓器的性能大為改善。

  電廠出現 1886年美國開始建設發出交流電的電廠,功率為6千瓦,用單相供電。英國德特福特、福斯班克電廠,俄國諾沃羅西斯克電廠亦先後建成。

  三相制與電力系統 1888年俄國多利沃-多佈羅沃利斯基創用三相制。1891年由法國勞芬水電站至德國法蘭克福的三相高壓輸電線路建成。它在始端有升壓變壓器,容量為20千伏安,電壓為90/15200伏;終端有降壓變電站,輸出效率在80%以上,有十分明顯的技術優越性和經濟效益。此後,不過10年左右,交流輸電技術中便幾乎全部采用瞭三相制。

  美國在1882年僅有電廠3座,此後電廠建設蓬勃發展,到1902年便增至3621座。歐洲各國在這時期也建起瞭大批電廠。這標志著人類已迎來瞭電氣化的時代。

  對分散在許多地點的電力用戶提供大量經濟、可靠的電能的需求,促進瞭電力工業的蓬勃發展和進步。這一發展的趨勢是:采用高效率大功率的蒸汽推動的原動機;不斷加大發電機的單機容量;提高輸電電壓等級;延長輸電的距離,這就促進高電壓大容量遠距離的電力系統的形成。許多材料、制造工藝的進步,新式裝置的研制,新的理論成果的應用,以及一些新興的技術如電子技術、自動控制等都在這一形成過程中起到瞭重要的作用。

  原動機及電機技術的發展 驅動發電機的原動機,早期多采用效率不高的蒸汽機,以後幾經改進,效率的提高仍不多。1884年英國C.A.帕森斯首先創造可供實用的汽輪機。1889年他又成立專門制造汽輪機發電機組的公司。其後法國A.拉托發明多級沖動式汽輪機,經濟技術性能又有改進。以後汽輪機的工作溫度、壓力不斷提高,熱效率也相應提高,很快成為熱力發電站的主要動力裝置。制造大容量的發電機,發電機中需要有有效的散熱措施,否則發電機的溫度會升高到它的絕緣材料所不能承受的程度。20世紀50年代以後,電機的冷卻技術由表面通風的直冷式發展為內冷與外冷結合的多重間接冷卻,並采用低密度高比熱的氫氣作為冷卻介質,在相當大的程度上解決瞭散熱的困難。冶金技術的進步又為電機提供瞭性能不斷改進的磁性材料,由熱軋矽鋼片到冷軋矽鋼片、非晶態鋼等,新的材料降低瞭電機的鐵心損耗,提高瞭效率。使用的絕緣材料由早期的瀝青、雲母等發展到各種耐熱彈性材料,提高瞭容許的溫升,增加瞭絕緣強度。這些技術進步使得大容量高效率的電機制造成為可能。目前已有單機容量達130萬千瓦的發電機組。中國自行設計制造的30萬千瓦和60萬千瓦的發電機組均已投入運行。

  電力傳輸 輸電技術的進步主要表現在輸電電壓等級的不斷提高。這要求全面提高電力系統的絕緣強度,研制出工作在高電壓下的各種電器設備,主要有變壓器、斷路器、絕緣子等。1906年懸鏈式絕緣子問世,它比針柱式絕緣子可以耐受更高的電壓、承受更大的重量。采用分裂導線形式的輸電線減少瞭高壓導線上的電暈損耗。高壓斷路器中滅弧技術的改進,如采用磁吹、油吹、壓縮空氣氣吹等措施,提高瞭斷路器的分斷能力。在1955~1965年期間研制出六氟化硫氣體封閉式組合電器。這些技術上的進步使高電壓、超高壓遠距離大功率的輸電線路得以實現、發展和不斷完善。美國在1908年開始出現110千伏輸電線路,1923年輸電電壓提高到220千伏。其後歐洲許多國傢也都相繼建成220千伏的線路。30年代以後輸電電壓繼續提高。1936年美國有瞭287千伏的輸電線。1959年蘇聯建成500千伏的輸電線。70年代,中國在西北建成瞭330千伏的線路,80年代在華中、華北和東北都建成瞭500千伏的輸電線。

  電力系統的繼電保護 電力系統對安全可靠性有著非常高的要求。電力系統中的短路、雷擊、誤操作等故障都可能損壞設備、不能正常供電而使生產停頓,甚至發生人員傷亡事故。為瞭盡量減少事故的影響范圍,一方面要求改進系統中設備的設計,另一方面便是設置保護裝置。這促使電力系統中繼電保護技術的發展。早期的電力線路中隻裝有簡單的熔斷器、避雷器。到1930年左右,已研制出多種電磁繼電器及相應的保護設施。繼電保護技術已趨成熟。以後引入電子技術,使用固體電子器件如晶體管、晶閘管整流元件,進而使用計算機技術,更為電力系統繼電保護技術的發展開辟瞭新的途徑。

  電力網絡 為瞭提高供電的可靠性,並使電力系統以最經濟的方式運行,許多電廠通過輸電線互相聯接,形成功率強大、遍及廣大地區的電力網絡。這樣的系統已成為現代社會生產、人民生活中的主要動力來源。保持這種系統的正常運行,對其進行管理調度監控,就形成瞭包括許多技術部門的龐大的產業體系。

電工理論的形成與發展

  電工理論的形成基於技術發展的需要。人們在物理學中對電磁現象的本質及其規律的認識為電工技術提供瞭原理上的可能性。但是在實際應用中還需要解決工程設計、制造工藝、經濟效益、使用可靠、維護便利等一系列問題。從而逐步形成瞭分析電工設備中發生的電磁過程及其定量方法的電工理論。

  電路理論 電報的出現,增加瞭對電路分析和計算的需要。德國科學傢G.R.基爾霍夫在深入地研究瞭歐姆的工作成果之後,於1845年提出瞭電路的兩個基本定律。①電流定律:匯集於一個節點上的各個電流的代數和為零;②電壓定律:沿一個回路,電動勢的代數和等於電壓降的代數和。1847年他又提出瞭一篇論文,證明在復雜電路網絡中,根據前述兩條基本定律所能列出的獨立方程數目,恰好等於總的支路電流數目,恰可滿足對給定電路求解的要求。

  在1826年歐姆發表歐姆定律和1831年法拉第發表電磁感應定律之後,1832年亨利提出瞭表征線圈中自感應作用的自感系數L。俄國楞次提出:導體中由電磁感應產生的電流,也遵守歐姆定律。1853年湯姆孫采用電阻、電感和電容的電路模型,分析瞭萊頓瓶的放電過程,得出電振蕩的頻率。同年亥姆霍茲提出電路中的等效發電機定理。由於國際通信需求的增加,1850~1855年歐洲建成瞭英國、法國、意大利、土耳其之間的海底電報電纜。電報信號經過遠距離的電纜傳送,產生瞭信號的衰減、延遲、失真等現象。1854年湯姆孫發表瞭電纜傳輸理論,分析瞭這些現象。1857年基爾霍夫考慮到架空傳輸線與電纜不同,得出瞭包括自感系數在內的完整的傳輸線上電壓及電流的方程式,人們稱之為電報員方程或基爾霍夫方程。至此,包括傳輸線在內的電路理論就基本建立起來瞭。

  交流電路理論 19世紀後半葉,對電機的研制及其理論不斷取得進展。1880年英國J.霍普金森提出瞭形式上與歐姆定律相似的計算磁路用的定律,又用鐵磁材料的磁化曲線,考慮磁滯現象的影響以設計電機。19世紀末,交流電技術的迅速發展,促進交流電路理論的建立。1893年,C.P.施泰因梅茨提出分析交流電路的復數符號法(相量法),采用復數表示正弦式的交流電,簡化瞭交流電路的計算。瑞士數學傢J.R.阿爾甘提出的矢量圖,也成為分析交流電路的有力工具。這些理論和方法,為此後電路理論的發展奠定瞭基礎。

  網絡理論 進入20世紀,電工技術以更快的速度發展。有關的技術理論不斷建立和提高。1911年英國工程師O.亥維賽提出阻抗的概念,還提出瞭求解電路暫態過程的運算法。1918年福臺克提出瞭對稱分量法,用以將不對稱三相電路化為對稱三相電路進行分析。這一方法至今仍為分析三相交流電機、電力系統不對稱運行的常用方法。20世紀初電信技術的興起,也促進瞭電路理論的研究。1920年G.A.坎貝爾、K.瓦格納研究瞭梯形結構的濾波電路。1923年O.佐貝爾提出瞭 m導出型濾波器的設計方法。1924年R.M.福斯特提出電感電容二端網絡的電抗定理。此後便建立瞭由給定頻率特性設計電路的網絡綜合理論。在電子管被發明後,電子電路的技術迅速發展。1932年瑞典H.奈奎斯特提出瞭由反饋電路的開環傳遞函數的頻率特性判斷閉環系統穩定性的判據。1945年美國H.W.伯德出版瞭《網絡分析和反饋放大器》一書,總結瞭負反饋放大器的原理,由此形成瞭分析線性電路和控制系統的頻域分析方法,並得到瞭廣泛的應用。20世紀中期以後電子計算機的發展,為電工理論的應用提供瞭強有力的工具。電工理論與其他學科的理論相互借鑒,繼續在新的技術進步中共同發展。

  電磁場理論 物理中對電磁學的研究,到19世紀中期已經有瞭關於靜電現象的庫侖定律、關於電流和磁場關系的安培環路定律和法拉第電磁感應定律。法拉第提出的關於電磁場的概念是尤為光輝的思想。他認為電磁場是真實的物理存在,並可用電力線和磁力線來表示。他還認為空間各處的電磁場不能突然發生,而是從電荷及電流所在之處逐漸向周圍傳播的。1846年他發表瞭一篇論文,設想光是力線振動的表現。他的這些論斷,由英國科學傢J.C.麥克斯韋所繼承。麥克斯韋在1855年發表“論法拉第力線”一文,對力線進行瞭嚴格的數學描述;在1861年發表的“論物理力線”的重要論文中提出瞭電位移的概念,並稱電位移矢量的時間導數為“位移電流”密度。這種電流與傳導電流相似,同樣可以產生磁場。這表明在電磁感應作用下磁場的變化產生電場,而變化的電場引起的位移電流又能產生磁場。1864年麥克斯韋發表瞭“電磁場的動力學”論文,采用法國數學傢J.L.拉格朗日和愛爾蘭數學傢W.R.哈密頓在力學中所用的方法,描述電磁場的空間分佈和時間變化規律,得出瞭4個微分方程,這就是麥克斯韋方程組。由這組方程麥克斯韋導出瞭電磁場的波動方程,由之預言電磁波的傳播速度正是光速,從而斷定光也是電磁波。1887年德國科學傢H.R.赫茲用實驗證明瞭電磁波的存在,使麥克斯韋的預言得到證實。他的電磁場理論具有相當普遍的意義,成為電工技術(包括無線電技術)的基本依據。

  進入20世紀,隨著電能應用越來越廣,各種交流、直流電機和變壓器等設備以規模日益擴大的趨勢得到應用。研制各種電工設備,往往需要分析其中的電磁場分佈,結合工藝、材料等方面的考慮,來設計和改進產品。而電磁場的分析,雖然有電磁場的方程提供瞭作這類分析的依據,但由於實際問題往往非常復雜,能用解析方法作出分析的問題是很有限的,因此在電工技術中常采用實驗,包括40年代中提出的模擬方法來解決這些問題。50年代以來,由於電子計算機的發展,有瞭求數值解的有力手段,擴大瞭可以進行計算的問題的范圍。電工理論隨著技術的發展而在不斷地解決新的問題、吸收新的內容的過程中發展。

電工科技的現狀與展望

  電工技術到19世紀末已在電力和電信兩方面都取得瞭巨大的成功。在20世紀的前30年中,物理學的研究獲得重大的突破,建立瞭量子論和相對論,使人們對物質世界從小至原子到大至天體的認識都更為深入。20世紀初電子管的發明帶來瞭通信技術、無線電廣播、電視的興起和繁榮。40年代末半導體三極管的發明標志著電子技術進入瞭一個新的階段,很快就出現瞭多種半導體器件,在體積小、重量輕、功耗低等方面顯示出優越的性能。繼而發展出集成電路,使電子技術跨進瞭集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路的時代。40年代末電子計算機的發明是科技進步的新的裡程碑。與電子器件技術發展的同時,電子計算機的制造技術迅速地不斷更新。計算機軟件技術也不斷完備,50年代末研究出多種計算機語言,使得計算機的使用日趨方便。高速、大容量的電子計算機的作用已遠不限於用作快速的計算工具,而是在生產、科學研究、管理乃至社會生活的許多其他方面都成為技術進步的非常有力的手段。

  60年代發明瞭激光技術。由激光器發出的光有相幹性良好、能量密度高等特點,它首先在計量技術中得到應用,60年代末又利用它實現瞭光纖通信。這一技術是當代電子技術的又一大進展。

  20世紀的許多重大技術進步都是在多方面的理論和技術綜合應用的基礎上實現的。電工技術在新技術進展中起著不可缺少的支持作用,新的技術進展又不斷促進電工技術的進步。新的發電方式如磁流體發電已經實現,超導技術的進展將可能在電工技術中引起廣泛的革新,等離子體研究的成果帶來瞭實現受控核聚變的希望,在科技理論中信息論、控制論、系統工程等眾多學科先後出現,各學科技術相互影響和發展,形成瞭當代科技進步的洪流,電工科技亦將在其中繼續發展。

參考書目

 C.Singer and others,A History of Technology,Oxford Univ.Press,London,1955.

 清華大學自然辯證法教研組編:《科學技術史講義》,清華大學出版社,北京,1982。