| 词条 | 电工科技史 |
| 释义 | § 电工科技史 § 正文 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 前言 电磁现象的发现和电池的发明 近代电磁研究的发端 电池的发明 电磁感应定律和早期的电机 法拉第的工作 早期的电机 电报和电话的发明 莫尔斯电报和大西洋海底电缆 电话的发明 电照明和电机的发展 白炽灯 电机的改进与交流电系统 发电厂和电力传输 电厂出现 电力传输 电工理论的形成与发展 电路理论 电磁场理论 电工科技的现状与展望 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 前 言 电能的工业应用大约起始于19世纪中后期，至今有一百多年的历史。它给人类社会的许多方面带来了巨大而深刻的影响。 从广义上说，电工科学技术是与研究电磁现象的应用有关的基础科学、技术学科及工程技术的综合。这包括电磁形式的能量，信息的产生、传输、控制、处理、测量，有关的系统运行，设备制造技术等多方面的内容。19世纪末，电工技术已形成了电力和电信两大分支。进入20世纪以后，电工科技的发展更为迅速，应用电磁现象的技术门类日益增多，发展和形成了许多独立的学科，如无线电技术、电子技术、自动控制技术等等。电工科技通常主要是指电力工程及其设备制造的科学技术。 电工科学技术所依据的基本原理大都是由物理学、数学等纯科学中提出来的。依据基本原理，结合技术、工艺、经济等各方面的条件，研究可供应用的电工技术，制造出适应各种需要的电工产品，就是电工科技的主要领域。与电工技术直接有关的部门已形成庞大的工业体系，有关的理论也有许多分支。电力工业与社会生产、公众生活、文化教育等各方面有着十分密切的关系，是现代社会的重要支柱。 电磁现象的发现和电池的发明 人类从自然界的电闪雷鸣和天然磁石上开始注意到电磁现象。中国古代(公元前1100～前771)的青铜器“番生簋”上就出现了“電”字(见图)。在希腊和中国的古代文献中都有关于天然磁石吸铁和摩擦琥珀吸引细微物体的记载。在朝鲜乐浪郡的汉墓中出土的司南是最早应用电磁现象的实物（见图）。司南由一个用天然磁石凿成的勺和一个铜制的方盘组成，盘的中央光滑，四周有表示方向的刻度。使用时掷勺于盘上，勺停止转动时，柄就指向南方。唐朝(618～907)的指南仪器有了改进，《武经总要》书中记载有“将军用指南鱼”。宋朝的科学家沈括在他所著的《梦溪笔谈》中详细介绍了制作人造磁针的方法，当时指南针已被广泛应用。 电工科技史 电工科技史 近代电磁研究的发端 公元16世纪，欧洲对电磁现象的研究渐多。英国W.吉伯提出，磁针指南是由于地球本身是一个大磁体。他又由希腊文“琥珀”()创造了英文的“电”字（electrum）。1644年中国的刘献廷在《广阳杂记》中记录了磁屏蔽现象（见图）。1729年英国S.格雷区分材料为两类──导体和绝缘体。1733年法国C.F.迪费发现摩擦玻璃棒和胶木棒时，二者所带电荷性质不同，同性相斥，异性相吸。1745年荷兰莱顿大学教师 P.van 穆申布鲁克与德国的E.G.von 克莱斯特分别发明了最早的电容器──莱顿瓶。俄国Г.Β.里赫曼发明了验电器。1752年美国B.富兰克林进行了风筝实验，认识到自然界的雷闪与莱顿瓶的放电都是放电现象。富兰克林还发明了避雷针，这是静电现象早期的应用。 1758年俄国Ф.у.Τ.艾皮努斯提出电荷守恒原理,并发现介质极化作用。1775年意大利A.G.A.A.伏打发明静电起电盘。他在1778年又论述了导体容纳电荷的能力，提出了电容的概念。 静电学定律 1766年英国J.普里斯特利根据富兰克林向他提出的空心导体带电仅在外表面的现象，推测静电作用力与万有引力相似,与距离的平方成反比。1785～1789年,法国C.-A.库仑设计并进行了著名的静电扭秤实验，建立了静电作用力的平方反比定律，即今所称的库仑定律。后来他又将这一定律应用到磁极间的作用力。当时对万有引力已有较多的认识。P.S.拉普拉斯在1782年就提出了有关万有引力的空间分布的拉普拉斯方程。1828年法国S.D.泊松根据库仑定律，仿照引力理论的方法,将拉普拉斯方程推广应用于静电场,并提出静电场的泊松方程。德国C.F.高斯提出了数学上的高斯定理（散度定理），1813年将之应用于静电场，得出静电场的高斯定理。 电工科技史 电与磁的联系 1820年丹麦H.C.奥斯特注意到，当发生雷闪时附近的磁针发生抖动，他猜想这是雷闪放电时电流的作用。经过反复实验，他观察到在载流导线附近的磁针发生偏转,这表明电流有磁效应。法国A.-M.安培高度评价奥斯特的发现，认为这揭示了磁性来源于电流，由此他提出“分子电流”的概念来解释永久磁铁的磁性。他精心设计了一系列实验，并得出了确定载流导线中的电流相互作用力的大小和方向的法则。他又根据电流元产生的磁场性质提出了磁通连续性定理；1825年又提出了著名的安培环路定律。与安培同时，法国J.毕奥和F.萨伐尔重复验证了奥斯特的实验，研究电流的磁场作用于磁针两端上的力的大小和方向，导出了相应的公式，后来人们称之为毕奥－萨伐尔定律。拉普拉斯证明，这个公式应用于闭合电流回路，与用安培环路定律得出的结果是相同的。 电工科技史 德国J.S.C.施魏格尔根据奥斯特的发现，在多匝线圈中放置磁针,制成了最早的电流检测装置,称为倍增器(1820)。奥斯特的发现及安培的工作还引起英国科学家M.法拉第的注意。1821年他设计了一个水银杯实验，首次展示了由电磁力产生不间断的机械运动。1821年德国T.J.塞贝克发现，由两种不同金属联接成的回路，当两个接点的温度不同时，回路中便出现电流，存在着温差电动势。这种装置称为温差电偶。 电工科技史 1826年德国G.S.欧姆深入研究了导线传送电流的能力。他用铜、铋温差电偶产生的稳定电动势向导线回路供给电流，试验了多种材料对电流通过具有的阻力，并称之为电阻。1826年他发表了著名的定律：在恒定温度下，导线回路中的电流等于回路中的电动势与电阻之比。欧姆又将这一定律推广于任意一段导线上，并得出导线中的电流等于这一段导线上的电压与电阻之比。这两条定律人们都称之为欧姆定律。 1840年J.P.焦耳对电流经过导线电阻产生的热进行了实验测定。这一热量正比于电阻与电流平方的乘积，这就是著名的焦耳定律。 电池的发明 1780年意大利生物学家L.伽伐尼发现，在解剖青蛙的过程中，当金属器械触及蛙体神经而附近又有雷电时，蛙腿肌肉发生剧烈收缩。人们称这一现象为伽伐尼效应。伏打对这个效应进行了研究，并为此研制了灵敏的电位计。随后他发现了不同金属间的接触电动势,提出了不同金属的起电次序:锌-铅-锡-铁-铜。两种金属接触时，次序在前的金属带正电，在后的带负电。 电工科技史 1800年伏打创制了最早的化学电池,人们称之为“伏打电堆”。这电池由许多单元堆叠成柱状。每一单元由铜片和锌片以及中间所置用酸性溶液浸湿的布片构成。伏打电堆可以引起持续的电流，为此后研究电流的作用提供了电源。 1802年俄国Β.Β.彼得罗夫用伏打电堆研究放电现象，发现了电弧。他指出电弧的发光和产生的高温将在照明和加热中得到应用。英国H.戴维也独立地发现了电弧，并进行了电解的研究。这些研究和应用，对促进以后电能应用的发展，起了重要的作用。 电磁感应定律和早期的电机 法拉第的工作 1831年法拉第发表了著名的电磁感应定律：一个线圈中产生的感应电流与线圈在单位时间所割切的磁力线多少成正比，与线圈导线的电阻成反比。这一定律将磁的现象与电的现象联系起来。这不仅有着重要的理论意义，而且提供了广阔的实用前景。1834年俄国Э.Ⅹ.楞次提出感应电流方向的定律:感应电流的方向在于沿该方向的电流所产生的磁通趋于阻碍磁通的变化。 法拉第在1834年发表了电解定律：电解中析出物质的量与所通过的电量成正比，也与析出物质的化学当量成正比。这成为以后电解、电镀等应用的理论依据，而且是对元素性质与电荷的关系在认识上的一大进步。 早期的电机 法拉第根据电磁感应定律，在1831年制出圆盘发电机，将驱动圆盘用的机械能转变成电能。这是第一架电磁式发电机。它意味着可以通过水轮机用水能或蒸汽机用热能做功获得电能，以代替昂贵的伏打电堆。这立即引起人们的极大关注。几个月以后，意大利教授S.S.内格罗制成一台往复式发电机模型。1832年法国巴黎的一位仪表师A.H.皮克西也制成一台发电机模型，用旋转的线圈代替法拉第圆盘，发出交流电。次年他在电机轴上加装了金属换向片引出直流电。 电工科技史 电机的励磁 1851年德国科学家W.J.辛斯特登提出了励磁方案，用通电流的线圈代替永久磁铁。这是励磁方式的第一次改进。1854年丹麦科学家S.约尔特设计和制成自激发电机，这是电机励磁方式和结构上的又一次重大发展。1866年前后，英国工程师S.A.瓦利、C.惠斯通和德国电气工程师E.W.von西门子等人相继独立制成了自激发电机。惠斯通采用并激励磁，西门子采用串激励磁。当时制作出的电机普遍有电流不稳的缺点。直到1870年，在巴黎的比利时发明家Z.T.格拉姆对意大利物理学家A.帕奇诺蒂在1859年研制的环形电枢发电机模型作了改进，他用叠片式环形电枢在上下两个磁极间旋转，并采用金属换向器。这一电机电流较为稳定，取得了专利，先后在巴黎和维也纳展出，受到人们重视。这个发电机虽然效率还不高,但能提供较高的电压,发出较大的功率(最大达100千瓦)，具有一定的实用价值。至此,电流的产生不再依赖实验装置，而有结构可靠、由原动机驱动、可以产生大电流的发电机可用了。 早期的实用电机 1873年德国工程师F.赫夫纳－阿尔滕内克设计了一种鼓形电枢，简化了电机的结构，减少了铜线用量,降低了成本,造出了容量大、效率高、更具有推广价值的发电机。此后，又经美国H.S.马克西姆等人改进电枢，采用了磁场补偿线圈与换向极，直流电机在1880年便具有了现代电机的基本结构。 1823～1825年，英国人P.巴洛、斯特金和美国J.亨利分别制作了电磁铁，证实了电磁作用可以产生吸引力。T.达文波特在亨利的支持下于1834年制造了一台直流电动机，并于次年用它驱动一辆小车。1838年在俄国彼得堡，Б.С.雅科比根据法拉第的理论独立地设计制作了一台电动机，并用它驱动一条小船在涅瓦河上航行了一段，初步显示了电动机的实用性。 19世纪80年代以前,人们从电池得到直流电,因此各国科学家大多致力于直流电机的研制，并有一些直流发电机开始投入运行，导致公用供电系统的出现。1874年俄国Ф.Α.皮罗茨基进行了3.6公里的直流输电试验，发现电压降落和电能损耗太大,难以推广应用。1880和1881年，俄国Д.Α.拉契诺夫和法国M.德普勒分别提出用高压直流电输电以减少损耗。试验结果表明，当时产生高压直流电有困难，而且用户使用也有不便，于是人们转而研究发展交流电，这就促进了交流电技术的发展。 电报和电话的发明 早在1804年西班牙工程师D.F.萨尔瓦就研究用导线传送电流和信息。随后进行这一研究的也不少，但都未达到实际应用的水平。直到1837年，英国W.F.库克和惠斯通制成了双针式电报接收机，并用于利物浦的铁路线上。1839年雅可比发明了电磁式电报记录仪，提高了收报的可靠性。同年德国西门子取得他制作的电报机的专利。 莫尔斯电报和大西洋海底电缆 1838年美国S.F.B.莫尔斯发明了以点划组成的电码代表不同的字母或信息，即沿用至今的莫尔斯电码。他研究了当时各种电报机的优缺点之后，又采用了亨利1835年发明的继电器以驱动纸带并记录所接收的信号，完成了商用电报机。1844年由美国政府资助建成从华盛顿到巴尔的摩的电报线路，正式提供商用通报。此后欧洲各国也陆续采用莫尔斯电码和装置，电报的使用从此迅速扩大，电报线路的敷设由此加快。 英国W.汤姆孙（即后来的开尔文勋爵）参加了敷设大西洋海底电缆的工作。从1856年开始，经过多次失败，历时10年，终于成功，实现了从英国到美国之间的越过大洋的通报。到1869年，实现了包括越过太平洋、印度洋在内的全球范围的海底电缆网。 电话的发明 电报的使用促进了电话的发明。1876年美国A.G.贝尔在工程师T.沃森的协助下，试验成功电话。1877年美国T.A.爱迪生发明了阻抗式发话器，改进了电话的效果。1878年美国的商用电话投入使用。两年后，美国已有48000台电话机,通信事业成了重要的企业部门。电报、电话的出现推动了电工理论，特别是电路理论的形成和发展。 电照明和电机的发展 电弧虽能发出强光，却因为需要很多电池才能提供足够的电压以产生电弧，因而并未广泛用作照明。直到发电机有所发展，电照明重新引起人们注意。1844年法国J.B.L.傅科制成以木炭为电极的弧光灯，但电极消耗很快。1854年H.格贝尔在美国用玻璃泡密封炭化竹丝的电灯泡，使用时间仍然不长。 白炽灯 美国爱迪生在试验了一千多种材料之后，提高灯泡中的真空度,制成了耐用的炭丝灯泡,并于1879年取得美国专利。与他同时，英国J.W.斯旺也制出了耐用的炭丝灯泡。由此两人产生发明专利权的争执。最后于1883年以在英国成立爱迪生与斯旺联合电灯公司解决了争端。使用方便的炭丝白炽灯很快普及到千家万户，并取代了公共场所一度流行的煤气灯和弧光灯，此灯在欧洲一些城市被称为“电气”(electric gas)。炭丝灯的使用寿命毕竟不长。1909年美国W.D.库利奇开发了钨丝的拉丝工艺后，于1912年试制成钨丝灯泡，取得专利后，让给美国通用电气公司生产。以后钨丝灯泡取代炭丝灯泡，成为最普及的照明用具。电灯的广泛使用，是电能应用的一次大普及，并改变了人们的生活；同时也增加了对电能的需求，促进了电机制造技术的进一步发展。 电机的改进与交流电系统 19世纪中电机的制造技术逐步改进，实用的直流发电机渐趋完善。1878年美国C.F.布拉什在电机转子上开槽以放置绕组导线，转子的受力大部分转移到槽壁上，增加了电机的总体机械强度。1883年英国J.克雷格在电机中采用叠片磁极及通风间隙。G.W.富勒采用叠片转子。1885年瑞士A.梅隆提出叠式绕组。用类比于光的干涉现象，意大利G.费拉里斯在1885年提出了交流电机的旋转磁场理论，这是交流电机理论的重要进展。1886年美籍南斯拉夫工程师N.特斯拉制成了三相感应电动机。1889年俄国Μ.Ο.多利沃－多布罗沃利斯基发明了三相鼠笼式感应电动机。这种电机结构简单坚固、成本低廉,很快就成为使用得最多的电动机,促进了交流电在动力上的应用。 19世纪80年代，直流电的工业应用已有一定的规模，但人们也认识到，用当时的直流电技术实现大量地传输电能是有困难的。于是，发展交流发电输电技术成为当时的迫切需要。 爱迪生对于发展交流电技术持强烈的反对观点，而美国的G.威斯汀豪斯及其创建的西屋电气公司则积极开发交流电及其应用技术。经过激烈的竞争，后者取得了成功。 发电厂和电力传输 1876年俄国П.Н.雅布洛奇科夫建立了为照明供电用的交流电厂，采用了不闭合铁心的变压器以改变电压。1882年 И.Ф.乌萨金在全俄展览会上展出了升压变压器和降压变压器。1883年在英国伦敦博览会上展出了L.戈拉尔和J.D.吉布斯的变压器，容量达5千伏安,仍然用不闭合铁心。1885年匈牙利M.德里研制出闭合磁路的单相干式变压器。采用这种结构使变压器的性能大为改善。 电厂出现 1886年美国开始建设发出交流电的电厂，功率为6千瓦,用单相供电。英国德特福特、福斯班克电厂，俄国诺沃罗西斯克电厂亦先后建成。 三相制与电力系统 1888年俄国多利沃－多布罗沃利斯基创用三相制。1891年由法国劳芬水电站至德国法兰克福的三相高压输电线路建成。它在始端有升压变压器，容量为20千伏安，电压为90/15200伏；终端有降压变电站，输出效率在80％以上，有十分明显的技术优越性和经济效益。此后，不过10年左右，交流输电技术中便几乎全部采用了三相制。 美国在1882年仅有电厂3座,此后电厂建设蓬勃发展，到1902年便增至3621座。欧洲各国在这时期也建起了大批电厂。这标志着人类已迎来了电气化的时代。 对分散在许多地点的电力用户提供大量经济、可靠的电能的需求，促进了电力工业的蓬勃发展和进步。这一发展的趋势是：采用高效率大功率的蒸汽推动的原动机;不断加大发电机的单机容量；提高输电电压等级;延长输电的距离，这就促进高电压大容量远距离的电力系统的形成。许多材料、制造工艺的进步，新式装置的研制，新的理论成果的应用，以及一些新兴的技术如电子技术、自动控制等都在这一形成过程中起到了重要的作用。 原动机及电机技术的发展 驱动发电机的原动机，早期多采用效率不高的蒸汽机，以后几经改进，效率的提高仍不多。1884年英国C.A.帕森斯首先创造可供实用的汽轮机。1889年他又成立专门制造汽轮机发电机组的公司。其后法国A.拉托发明多级冲动式汽轮机，经济技术性能又有改进。以后汽轮机的工作温度、压力不断提高，热效率也相应提高，很快成为热力发电站的主要动力装置。制造大容量的发电机，发电机中需要有有效的散热措施，否则发电机的温度会升高到它的绝缘材料所不能承受的程度。20世纪50年代以后，电机的冷却技术由表面通风的直冷式发展为内冷与外冷结合的多重间接冷却，并采用低密度高比热的氢气作为冷却介质，在相当大的程度上解决了散热的困难。冶金技术的进步又为电机提供了性能不断改进的磁性材料，由热轧硅钢片到冷轧硅钢片、非晶态钢等，新的材料降低了电机的铁心损耗，提高了效率。使用的绝缘材料由早期的沥青、云母等发展到各种耐热弹性材料，提高了容许的温升，增加了绝缘强度。这些技术进步使得大容量高效率的电机制造成为可能。目前已有单机容量达 130万千瓦的发电机组。中国自行设计制造的30万千瓦和60万千瓦的发电机组均已投入运行。 电力传输 输电技术的进步主要表现在输电电压等级的不断提高。这要求全面提高电力系统的绝缘强度，研制出工作在高电压下的各种电器设备，主要有变压器、断路器、绝缘子等。1906年悬链式绝缘子问世，它比针柱式绝缘子可以耐受更高的电压、承受更大的重量。采用分裂导线形式的输电线减少了高压导线上的电晕损耗。高压断路器中灭弧技术的改进，如采用磁吹、油吹、压缩空气气吹等措施,提高了断路器的分断能力。在1955～1965年期间研制出六氟化硫气体封闭式组合电器。这些技术上的进步使高电压、超高压远距离大功率的输电线路得以实现、发展和不断完善。美国在1908年开始出现110千伏输电线路，1923年输电电压提高到220千伏。其后欧洲许多国家也都相继建成 220千伏的线路。30年代以后输电电压继续提高。1936年美国有了 287千伏的输电线。1959年苏联建成500千伏的输电线。70年代,中国在西北建成了330千伏的线路,80年代在华中、华北和东北都建成了500千伏的输电线。 电力系统的继电保护 电力系统对安全可靠性有着非常高的要求。电力系统中的短路、雷击、误操作等故障都可能损坏设备、不能正常供电而使生产停顿，甚至发生人员伤亡事故。为了尽量减少事故的影响范围，一方面要求改进系统中设备的设计，另一方面便是设置保护装置。这促使电力系统中继电保护技术的发展。早期的电力线路中只装有简单的熔断器、避雷器。到1930年左右，已研制出多种电磁继电器及相应的保护设施。继电保护技术已趋成熟。以后引入电子技术，使用固体电子器件如晶体管、晶闸管整流元件，进而使用计算机技术，更为电力系统继电保护技术的发展开辟了新的途径。 电力网络 为了提高供电的可靠性，并使电力系统以最经济的方式运行,许多电厂通过输电线互相联接,形成功率强大、遍及广大地区的电力网络。这样的系统已成为现代社会生产、人民生活中的主要动力来源。保持这种系统的正常运行，对其进行管理调度监控，就形成了包括许多技术部门的庞大的产业体系。 电工理论的形成与发展 电工理论的形成基于技术发展的需要。人们在物理学中对电磁现象的本质及其规律的认识为电工技术提供了原理上的可能性。但是在实际应用中还需要解决工程设计、制造工艺、经济效益、使用可靠、维护便利等一系列问题。从而逐步形成了分析电工设备中发生的电磁过程及其定量方法的电工理论。 电路理论 电报的出现，增加了对电路分析和计算的需要。德国科学家G.R.基尔霍夫在深入地研究了欧姆的工作成果之后，于1845年提出了电路的两个基本定律。①电流定律：汇集于一个节点上的各个电流的代数和为零；②电压定律：沿一个回路，电动势的代数和等于电压降的代数和。1847年他又提出了一篇论文，证明在复杂电路网络中，根据前述两条基本定律所能列出的独立方程数目，恰好等于总的支路电流数目，恰可满足对给定电路求解的要求。 在1826年欧姆发表欧姆定律和1831年法拉第发表电磁感应定律之后，1832年亨利提出了表征线圈中自感应作用的自感系数L。 俄国楞次提出：导体中由电磁感应产生的电流，也遵守欧姆定律。1853年汤姆孙采用电阻、电感和电容的电路模型，分析了莱顿瓶的放电过程，得出电振荡的频率。同年亥姆霍兹提出电路中的等效发电机定理。由于国际通信需求的增加，1850～1855年欧洲建成了英国、法国、意大利、土耳其之间的海底电报电缆。电报信号经过远距离的电缆传送，产生了信号的衰减、延迟、失真等现象。1854年汤姆孙发表了电缆传输理论，分析了这些现象。1857年基尔霍夫考虑到架空传输线与电缆不同，得出了包括自感系数在内的完整的传输线上电压及电流的方程式，人们称之为电报员方程或基尔霍夫方程。至此，包括传输线在内的电路理论就基本建立起来了。 交流电路理论 19世纪后半叶，对电机的研制及其理论不断取得进展。1880年英国J.霍普金森提出了形式上与欧姆定律相似的计算磁路用的定律，又用铁磁材料的磁化曲线，考虑磁滞现象的影响以设计电机。19世纪末，交流电技术的迅速发展，促进交流电路理论的建立。1893年，C.P.施泰因梅茨提出分析交流电路的复数符号法（相量法），采用复数表示正弦式的交流电，简化了交流电路的计算。瑞士数学家J.R.阿尔甘提出的矢量图，也成为分析交流电路的有力工具。这些理论和方法，为此后电路理论的发展奠定了基础。 网络理论 进入20世纪，电工技术以更快的速度发展。有关的技术理论不断建立和提高。1911年英国工程师O.亥维赛提出阻抗的概念，还提出了求解电路暂态过程的运算法。1918年福台克提出了对称分量法，用以将不对称三相电路化为对称三相电路进行分析。这一方法至今仍为分析三相交流电机、电力系统不对称运行的常用方法。20世纪初电信技术的兴起，也促进了电路理论的研究。1920年G.A.坎贝尔、K.瓦格纳研究了梯形结构的滤波电路。1923年O.佐贝尔提出了 m导出型滤波器的设计方法。1924年R.M.福斯特提出电感电容二端网络的电抗定理。此后便建立了由给定频率特性设计电路的网络综合理论。在电子管被发明后，电子电路的技术迅速发展。1932年瑞典H.奈奎斯特提出了由反馈电路的开环传递函数的频率特性判断闭环系统稳定性的判据。1945年美国H.W.伯德出版了《网络分析和反馈放大器》一书，总结了负反馈放大器的原理，由此形成了分析线性电路和控制系统的频域分析方法，并得到了广泛的应用。20世纪中期以后电子计算机的发展，为电工理论的应用提供了强有力的工具。电工理论与其他学科的理论相互借鉴，继续在新的技术进步中共同发展。 电磁场理论 物理中对电磁学的研究，到19世纪中期已经有了关于静电现象的库仑定律、关于电流和磁场关系的安培环路定律和法拉第电磁感应定律。法拉第提出的关于电磁场的概念是尤为光辉的思想。他认为电磁场是真实的物理存在，并可用电力线和磁力线来表示。他还认为空间各处的电磁场不能突然发生，而是从电荷及电流所在之处逐渐向周围传播的。1846年他发表了一篇论文，设想光是力线振动的表现。他的这些论断，由英国科学家J.C.麦克斯韦所继承。麦克斯韦在1855年发表“论法拉第力线”一文，对力线进行了严格的数学描述；在1861年发表的“论物理力线”的重要论文中提出了电位移的概念，并称电位移矢量的时间导数为“位移电流”密度。这种电流与传导电流相似，同样可以产生磁场。这表明在电磁感应作用下磁场的变化产生电场，而变化的电场引起的位移电流又能产生磁场。1864年麦克斯韦发表了“电磁场的动力学”论文，采用法国数学家J.L.拉格朗日和爱尔兰数学家W.R.哈密顿在力学中所用的方法，描述电磁场的空间分布和时间变化规律，得出了4个微分方程,这就是麦克斯韦方程组。由这组方程麦克斯韦导出了电磁场的波动方程，由之预言电磁波的传播速度正是光速，从而断定光也是电磁波。1887年德国科学家H.R.赫兹用实验证明了电磁波的存在，使麦克斯韦的预言得到证实。他的电磁场理论具有相当普遍的意义，成为电工技术（包括无线电技术）的基本依据。 进入20世纪,随着电能应用越来越广,各种交流、直流电机和变压器等设备以规模日益扩大的趋势得到应用。研制各种电工设备,往往需要分析其中的电磁场分布,结合工艺、材料等方面的考虑，来设计和改进产品。而电磁场的分析，虽然有电磁场的方程提供了作这类分析的依据，但由于实际问题往往非常复杂，能用解析方法作出分析的问题是很有限的，因此在电工技术中常采用实验，包括40年代中提出的模拟方法来解决这些问题。50年代以来，由于电子计算机的发展，有了求数值解的有力手段，扩大了可以进行计算的问题的范围。电工理论随着技术的发展而在不断地解决新的问题、吸收新的内容的过程中发展。 电工科技的现状与展望 电工技术到19世纪末已在电力和电信两方面都取得了巨大的成功。在20世纪的前30年中，物理学的研究获得重大的突破，建立了量子论和相对论，使人们对物质世界从小至原子到大至天体的认识都更为深入。20世纪初电子管的发明带来了通信技术、无线电广播、电视的兴起和繁荣。40年代末半导体三极管的发明标志着电子技术进入了一个新的阶段，很快就出现了多种半导体器件，在体积小、重量轻、功耗低等方面显示出优越的性能。继而发展出集成电路，使电子技术跨进了集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的时代。40年代末电子计算机的发明是科技进步的新的里程碑。与电子器件技术发展的同时，电子计算机的制造技术迅速地不断更新。计算机软件技术也不断完备，50年代末研究出多种计算机语言，使得计算机的使用日趋方便。高速、大容量的电子计算机的作用已远不限于用作快速的计算工具，而是在生产、科学研究、管理乃至社会生活的许多其他方面都成为技术进步的非常有力的手段。 60年代发明了激光技术。由激光器发出的光有相干性良好、能量密度高等特点，它首先在计量技术中得到应用，60年代末又利用它实现了光纤通信。这一技术是当代电子技术的又一大进展。 20世纪的许多重大技术进步都是在多方面的理论和技术综合应用的基础上实现的。电工技术在新技术进展中起着不可缺少的支持作用，新的技术进展又不断促进电工技术的进步。新的发电方式如磁流体发电已经实现，超导技术的进展将可能在电工技术中引起广泛的革新，等离子体研究的成果带来了实现受控核聚变的希望，在科技理论中信息论、控制论、系统工程等众多学科先后出现，各学科技术相互影响和发展，形成了当代科技进步的洪流，电工科技亦将在其中继续发展。 参考书目 C.Singer and others， A History of Technology， Oxford Univ.Press, London，1955. 清华大学自然辩证法教研组编：《科学技术史讲义》，清华大学出版社，北京，1982。 § 配图 § 相关连接 |
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