電氣工程技術(shù)與學(xué)科發(fā)展的歷史及展望

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

前言

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世紀的電氣工程概念已經(jīng)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(guān)的工程行為。電氣工程的發(fā)展程度直接體現(xiàn)了國家的科技進步水平，因此，電氣工程的教育和科研在發(fā)達國家大學(xué)中始終占據(jù)重要地位。

一、電氣工程技術(shù)的發(fā)展史

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(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。

（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大到了動電，開辟了電學(xué)研究的新領(lǐng)域。

（3）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)通電鉑絲周圍的小磁針發(fā)生輕微晃動，之后他經(jīng)過反復(fù)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(zhuǎn)動方向之間的關(guān)系。安培還通過實驗發(fā)現(xiàn)了兩個通電導(dǎo)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(xué)的基礎(chǔ)。

（4）法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)。英國科學(xué)家法拉第是第一個成功完成磁生電實驗的人，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；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(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、電動機、變壓器都是運用電磁感應(yīng)原理工作的。

（5）麥克斯韋建立電磁場理論。英國數(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，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，德國物理學(xué)家歐姆、高斯、赫茲，美國物理學(xué)家亨利，俄國物理學(xué)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(chǔ)，19世紀通信技術(shù)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(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，以工業(yè)生產(chǎn)電氣化為主要標志，其成果是電力、鋼鐵、化工“三大技術(shù)”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(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(xué)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(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，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(shù)。1885年，英國工程師菲爾安基設(shè)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(lǐng)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(wǎng)。1883年，美籍電氣工程師特斯拉發(fā)明了世界上第一臺感應(yīng)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(yīng)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

（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)。

1853年英國物理學(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)電過程中電流在反復(fù)震蕩且不斷衰減的結(jié)論，并計算出震蕩頻率與R、L、C參數(shù)之間的關(guān)系，奠定了動態(tài)電路分析的基礎(chǔ)。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(xué)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(xué)方法建立的熱傳導(dǎo)定律等等都對電工理論的豐富和完善起到了重要作用。

（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世界50年代美國科學(xué)家達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世紀中期計算機的出現(xiàn)使電網(wǎng)絡(luò)的計算機輔助分析和設(shè)計成為電路理論研究中的基本手段。

4.新技術(shù)革命對電氣工程技術(shù)的推動

20世紀中葉開始的第三次技術(shù)革命又稱為新技術(shù)革命，以核能、宇航和電子計算機這三大技術(shù)為主要標志。這個時期的主要理論是信息論、系統(tǒng)論和控制論，這三大理論的創(chuàng)立為通信工程技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的研究提供了全新的科學(xué)方法。

（1）計算機的升級換代對電氣工程技術(shù)的推動。自19世紀第一臺計算機問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，計算機給人類社會帶來了翻天覆地的變化，人類社會從此走進了信息時代。1952年出世的第一代計算機使用的是真空電子管，不僅體積巨大，而且耗電量驚人。1959年～1963年生產(chǎn)的第二代計算機用晶體管替代了真空電子管，大大提高了運算速度，減少了耗電量，減小了體積，運用在了軍事和科研領(lǐng)域。1964年～1970年生產(chǎn)的第三代計算機用集成電路替代了晶體管，不僅極大地提高了運算速度而且降低了成本，計算機開始進入到了普及階段。1971年至今生產(chǎn)的第四代計算機使用了超大規(guī)模集成電路，實現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡(luò)化，計算機普及到了個人。計算機的升級換代推動了控制技術(shù)的發(fā)展，形成了計算機管理生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）電子信息技術(shù)的發(fā)展。電子信息技術(shù)是計算機技術(shù)和電信技術(shù)相結(jié)合而形成的技術(shù)手段。20世紀通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，人類社會生活也由此發(fā)生了巨大變革，人類從此進入信息時代。

1920年人們發(fā)現(xiàn)電離層對無線電短波有反射作用。1935年人們發(fā)現(xiàn)了雷達并廣泛應(yīng)用于軍事和民用通信領(lǐng)域。1964年美國發(fā)射了第一顆地球同步靜止軌道通信衛(wèi)星，突破了大氣層對無線電波的屏蔽，實現(xiàn)了宇宙范圍的無線電通信。20世紀70年代計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立使人們開始通過互聯(lián)網(wǎng)獲取信息。20世紀80年代以后尋呼機和移動電話逐步得到廣泛使用，現(xiàn)今信息服務(wù)業(yè)已成為世界上發(fā)展最快的新興行業(yè)之一。

電氣工程技術(shù)發(fā)展史再次印證了這樣兩個真理：一是任何理論的創(chuàng)立和技術(shù)的進步都要靠眾多科學(xué)家甚至一代代人的不懈努力而實現(xiàn)，特別是在學(xué)科相互融合交叉的今天。二是科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都會導(dǎo)致生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展和人類社會的巨大進步，科技是第一生產(chǎn)力，創(chuàng)新是社會發(fā)展的推動力。

二、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世紀末電工科學(xué)技術(shù)已形成了電力與電信兩大分支。

我國電氣工程一級學(xué)科下設(shè)五個二級學(xué)科：電機與電器（二級學(xué)科編號080801）、電力系統(tǒng)及其自動化（080802）、高電壓與絕緣技術(shù)（080803）、電力電子與電力傳動（080804）、電工理論與新技術(shù)（080805），電氣工程包含的專業(yè)基礎(chǔ)理論有電路原理、模擬電子、數(shù)字電子、微機原理與接口技術(shù)、單片機原理、自動控制原理、電磁理論、MATLAB仿真等。專業(yè)理論有電力系統(tǒng)及其暫態(tài)分析、電力電子、電機學(xué)、高電壓與絕緣、電力拖動、輸配電、工廠企業(yè)供電、電力市場等。

三、結(jié)束語

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)。

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