淺談電氣工程學(xué)科發(fā)展的歷史展望

【摘 要】梳理了電氣工程技術(shù)從電磁學(xué)理論的建立到新技術(shù)革命時期電氣工程技術(shù)的進(jìn)步這樣一個發(fā)展脈絡(luò)，介紹了電氣學(xué)科的形成與發(fā)展，并分析了電氣工程技術(shù)的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】電氣工程技術(shù)；電氣學(xué)科；發(fā)展史

1 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，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)國家大學(xué)中始終占據(jù)重要地位。

1.1 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對電有了最早、最樸素的認(rèn)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(jì)的英國，1663年德國科學(xué)家蓋利克發(fā)明了摩擦起電的儀器，1729年英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電荷可以通過金屬傳導(dǎo)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。

（1）庫侖定律。1785年法國物理學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^扭秤測量靜電力和磁力總結(jié)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(biāo)志著人類對電磁現(xiàn)象的研究從定性階段進(jìn)入了定量階段。

（2）“伏打電池”。1799年意大利物理學(xué)家伏特經(jīng)過反復(fù)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(chǎn)生電流，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(kuò)大到了動電，開辟了電學(xué)研究的新領(lǐng)域。

1.2 電工技術(shù)的初期發(fā)展

人類社會發(fā)展歷程中經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，對人類的進(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；第二次工業(yè)革命從19世紀(jì)后半期到20世紀(jì)中葉，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、飛機(jī)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(jì)中葉到21世紀(jì)初，以社會生產(chǎn)、生活信息化為特點，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)用開始的。

（1）直流發(fā)電機(jī)的誕生。1831年英國企業(yè)家研制出了史上第一臺發(fā)電機(jī)——蒸汽動力永磁發(fā)電機(jī)；1832年法國科學(xué)家匹克斯發(fā)明了世界上第一臺直流發(fā)動機(jī)；1866年西門子發(fā)明了自激式勵磁直流發(fā)電機(jī)；1870年格拉姆發(fā)明了實用自激直流發(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(jī)，通過電纜輸送照明用電，不過當(dāng)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。

1.3 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(yīng)定律；1832年亨利提出了磁通量計算公式。

1845年德國物理學(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(chǔ)。

（2）電網(wǎng)絡(luò)理論的建立。通信技術(shù)的興起推動了電網(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)計電路的電網(wǎng)絡(luò)理論。

1945年美國科學(xué)家伯德總結(jié)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(fù)雜回饋系統(tǒng)的方法，并被廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代美國科學(xué)家達(dá)默制成了第一批集成電路，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(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)中期計算機(jī)的出現(xiàn)使電網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)輔助分析和設(shè)計成為電路理論研究中的基本手段。

2 電氣學(xué)科的形成與發(fā)展

按我國高等教育學(xué)科劃分，電氣信息學(xué)科類屬工學(xué)門類（門類編號08），其下設(shè)五個一級學(xué)科：電氣工程（一級學(xué)科編號0808）、電子科學(xué)與技術(shù)（0809）、信息與通信工程（0810）、控制科學(xué)與工程（0811）和計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（0812）。這五個學(xué)科有著相同的學(xué)科基礎(chǔ)，都是研究電磁現(xiàn)象及其應(yīng)用的基礎(chǔ)學(xué)科與技術(shù)工程的綜合，電能的突出優(yōu)點在于：它既是易于傳輸?shù)墓I(yè)動力，又是非?？煽康男畔⑤d體。電子科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程和計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)都是從電類專業(yè)派生出來的弱電學(xué)科，在19世紀(jì)末電工科學(xué)技術(shù)已形成了電力與電信兩大分支。

國外發(fā)達(dá)國家電氣工程學(xué)科的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢：

（1）在學(xué)科中融入大量信息技術(shù)知識。在全球信息化的當(dāng)今，信息技術(shù)以指數(shù)速度進(jìn)步，它曾對電氣工程學(xué)科的發(fā)展起到了巨大的推動作用，還將為電氣工程領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供工具與技術(shù)支持，對電氣學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生了決定性作用。國外發(fā)達(dá)國家的著名大學(xué)（如耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院等）大都把電氣工程、通信工程、計算機(jī)工程放在同一學(xué)院，以利于在電氣工程學(xué)科中融入大量的信息技術(shù)知識。

（2）與其他學(xué)科不斷交叉融合，拓展了研究領(lǐng)域，大量的研究都是在跨學(xué)科領(lǐng)域開展的。

（3）與企業(yè)聯(lián)系密切，科技成果轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)更新。

3 電氣技術(shù)的發(fā)展趨勢

與電氣工程學(xué)科相關(guān)的產(chǎn)業(yè)主要有電力工業(yè)、電氣裝備制造業(yè)以及幾乎所有使用電力的行業(yè)，電氣技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也主要集中在這些行業(yè)。

3.1 可再生能源技術(shù)

1995年全球可再生能源僅占一次能源的18%，預(yù)測到2050年可再生能源要占一次能源的22%，21世紀(jì)，光伏技術(shù)、風(fēng)電技術(shù)、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)等得到了快速發(fā)展。下面著重介紹人類的未來能源——氫能?？茖W(xué)家們一直致力于研究把氫能作為人類未來的能源，氫能有其他能源無與倫比的優(yōu)勢：

（1）清潔。其反應(yīng)后的生成物為水和氮化氫，對環(huán)境沒有污染。

（2）儲量豐富。地球上的海水所含的氫用來發(fā)電就夠人類用數(shù)億年。

（3）熱值高。單位重量的發(fā)熱量叫熱值，氫的熱值是汽油的3倍，煤炭的4倍。現(xiàn)在世界上很多國家正在斥巨資研究這一能源，但目前還處在實驗室階段，距工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。

3.2 輸電信技術(shù)

超導(dǎo)技術(shù)在電氣工程中的廣泛應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢。

（1）超導(dǎo)儲能系統(tǒng)。將電能轉(zhuǎn)換為電磁能，利用超導(dǎo)線圈儲存起來。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)是除電池儲能系統(tǒng)之外的又一儲能系統(tǒng)，其使用將提高電網(wǎng)的安全性。

（2）超導(dǎo)故障限流器。利用超導(dǎo)體超導(dǎo)與正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)變特性，快速限制電力系統(tǒng)故障短路電流，保障電網(wǎng)安全。

（3）超導(dǎo)大容量電纜。可大大降低輸電過程中的電耗，提高能源效率。

靈活交流輸電技術(shù)（FACTS）。用大功率電子器實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)、功率、相位角等的實時調(diào)節(jié)控制，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和輸電過程中的能耗。

3.3 高速磁懸浮列車

磁懸浮技術(shù)實現(xiàn)了列車脫離地面、不帶燃料的“飛行”，德、日兩國在這方面的技術(shù)領(lǐng)先，最高時速已達(dá)到每小時550公里。高速磁懸浮列車是綜合運用磁懸浮、低溫超導(dǎo)、計算機(jī)控制與信息技術(shù)等高新技術(shù)的成果。

[責(zé)任編輯：丁艷]