談電氣工程的發(fā)展與未來(lái)

趙爽 韓斯丞

摘 要 電氣工程作為21世紀(jì)推動(dòng)科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的核心和關(guān)鍵學(xué)科， 歷經(jīng)了百余年的發(fā)展與檢驗(yàn)， 如今在工程領(lǐng)域中仍然具有舉足輕重的地位。放眼未來(lái)， 在以后甚至相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里， 人類(lèi)最易于利用的優(yōu)質(zhì)能源仍是電能， 所以電氣工程的發(fā)展是與人類(lèi)的未來(lái)相濟(jì)的， 我們?nèi)詴?huì)利用甚至是依賴電能。本文著重于探討電氣工程學(xué)科的發(fā)展史與未來(lái)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞 電氣工程； 發(fā)展歷程； 發(fā)展方向； 未來(lái)預(yù)測(cè)

1電氣工程的發(fā)展歷史

1.1 電和磁階段

16世紀(jì)末期，英國(guó)醫(yī)生、物理學(xué)家吉爾伯特首先研究了摩擦起電的原因，并將其與磁的作用區(qū)分開(kāi)來(lái)，稱作“電的作用”，發(fā)表的著作《論磁》詳細(xì)地概括了他對(duì)電和磁現(xiàn)象進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，他是第一個(gè)從理論上開(kāi)始研究電和磁的人。1660年，德國(guó)工程師格里凱發(fā)明了最早期的摩擦起電機(jī)，使得人類(lèi)增加了對(duì)電荷的認(rèn)識(shí)。1733年，法國(guó)人杜菲對(duì)格里凱的實(shí)驗(yàn)非常感興趣，隨后他也做了不少實(shí)驗(yàn)，他通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使是絕緣處理后的金屬也可以通過(guò)摩擦起電，從而他推翻了格里凱等人的把物體分為“電的”和“非電”的結(jié)論。1746年，萊頓大學(xué)的慕欣勃羅克教授發(fā)現(xiàn)電能可以儲(chǔ)存在裝滿水的玻璃瓶中，由此發(fā)明了萊頓瓶。1785年，法國(guó)科學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)得出了庫(kù)侖定律，這是電和磁發(fā)展歷程上第一個(gè)定量提出電荷之間的作用力與距離、電荷量之間的關(guān)系的定律，為今后電和磁的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1800年，意大利物理學(xué)家伏打制作完成了世界上第一個(gè)電池組，即“伏打電堆”，伏打電堆可以和萊頓瓶一樣儲(chǔ)存電能，甚至其性能還優(yōu)于萊頓瓶。1820年，J.B.畢奧和F.薩伐爾在奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)的基礎(chǔ)上深入研究了通過(guò)電流的導(dǎo)線對(duì)磁針的力的作用，并由此得出了畢奧-薩法爾定律。1826年，德國(guó)物理學(xué)家歐姆將“電傳導(dǎo)”類(lèi)比“熱傳導(dǎo)”發(fā)現(xiàn)了電流強(qiáng)度與電動(dòng)勢(shì)和電阻分別成正比和反比的關(guān)系。第二年他出版的著作《伽伐尼電路的數(shù)學(xué)論述》中從理論上明確了電路中電流、電阻和電動(dòng)勢(shì)這三者的關(guān)系，這在電學(xué)歷史上是一部具有里程碑意義的著作。1831年，法拉第從奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)出發(fā)，在線圈實(shí)驗(yàn)中他發(fā)現(xiàn)了線圈在接通和斷開(kāi)的時(shí)候，相鄰線圈周?chē)拇裴樖艿搅肆Φ淖饔?。?jīng)過(guò)紐曼和韋伯的歸納整理，得出了法拉第電磁感應(yīng)定律。1873年，英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家麥克斯韋出版了自然科學(xué)理論巨著《電磁學(xué)通論》，歸納總結(jié)了庫(kù)侖、安培、法拉第等前輩們的探索和研究成果，建立起了完整的電磁學(xué)理論，揭示了光、電、磁本質(zhì)上的統(tǒng)一，這是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展歷程中最重要的成果，是科學(xué)史上最偉大的總結(jié)之一。所有偉大的成果都來(lái)自于一代又一代偉大科學(xué)家的不懈努力，正如牛頓所說(shuō)“如果說(shuō)我看得比別人更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀?。為電磁理論做出卓越貢獻(xiàn)的科學(xué)家還有很多，如德國(guó)工程學(xué)家西門(mén)子、美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生、英國(guó)物理學(xué)家亨利·卡文迪什、德國(guó)物理學(xué)家海因里?！?shù)婪颉ず掌澋龋疚牟辉僖灰涣信e。

1.2 電氣工程的發(fā)展階段

1882年，德國(guó)頂尖理工大學(xué)之一的達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)設(shè)置了世界上第一個(gè)電氣工程學(xué)教授席位并在次年建立了電機(jī)系。同年，美國(guó)麻省理工學(xué)院推出了電氣工程方向的大學(xué)課程。1885年，倫敦大學(xué)學(xué)院創(chuàng)立了電機(jī)技術(shù)系，后改名為電子電氣工程系。1886年，美國(guó)密蘇里大學(xué)、康奈爾大學(xué)等都陸陸續(xù)續(xù)建立了電氣工程系。在中國(guó)，電氣工程是屬于電氣信息學(xué)科類(lèi)下的5個(gè)一級(jí)學(xué)科之一。我國(guó)電氣工程教育始于南洋公學(xué)，1908年，我國(guó)設(shè)立了第一個(gè)電機(jī)專修科，授電學(xué)、電機(jī)、電器等14門(mén)課程，是中國(guó)近代電氣工程教育的啟蒙。1932年，清華學(xué)堂（清華大學(xué)前身）設(shè)置了電機(jī)系。建國(guó)后，我國(guó)建立了許多以工科為主的大學(xué)，其大多數(shù)都設(shè)立了電機(jī)工程系。改革開(kāi)放后，許多高校的“電機(jī)工程系”更名為“電氣工程系”，后又改名為“電氣工程學(xué)院”，呈現(xiàn)高職、?？啤⒈究?、研究生等多層次人才培養(yǎng)模式，由此我國(guó)的電氣工程教學(xué)與研究飛速發(fā)展，為國(guó)家輸送了一代又一代的優(yōu)秀人才，以高校為基礎(chǔ)陣地展開(kāi)的理論研究為電氣工程學(xué)科和我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2 電氣工程的未來(lái)發(fā)展方向

2.1 電氣工程未來(lái)的預(yù)測(cè)

電力作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，對(duì)社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展可謂貢獻(xiàn)巨大。電能是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保且易于控制和獲得的二次能源，與其密切相關(guān)的電氣工程的發(fā)展水平可以反映一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)達(dá)程度。我國(guó)在電氣工程方面的教育和研究已經(jīng)達(dá)到了相對(duì)較高的水平， 并在實(shí)際生產(chǎn)生活中取得了一定的成績(jī)。但以發(fā)展的眼光來(lái)看， 我們目前所達(dá)到的高度不能很好地滿足未來(lái)的形勢(shì)要求。只有立足于國(guó)內(nèi)電氣工程發(fā)展現(xiàn)狀，著眼于創(chuàng)新和發(fā)展的大趨勢(shì)，向著高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的建設(shè)目標(biāo)努力，電氣工程才能更好的為國(guó)民服務(wù)，為新時(shí)代中國(guó)建設(shè)偉大工程添磚加瓦。

2.2 電氣工程的發(fā)展方向

2.2.1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)，是由信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的輸配電體系構(gòu)成的智慧電力系統(tǒng)，運(yùn)用了先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制方法和決策支持系統(tǒng)技術(shù)，具有堅(jiān)強(qiáng)、自愈、可兼容性強(qiáng)、互動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等特點(diǎn)，能在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源有效利用等發(fā)面發(fā)揮巨大作用，是下一代電網(wǎng)的發(fā)展方向。

2.2.2 可再生能源的充分整合

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年風(fēng)能（564GW）和太陽(yáng)能（480GW）的發(fā)電裝機(jī)容量占全球電力總裝機(jī)量的14.8%，成為繼火、水后的第三大電能生產(chǎn)形式。但風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電具有的間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，所得到的電能具有不確定性，而且產(chǎn)生的直流電在并網(wǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波，造成電能質(zhì)量的不穩(wěn)定性，所以如何更好的利用可再生能源是我們亟待解決的問(wèn)題。

2.2.3 人工智能在電氣工程中的充分應(yīng)用

隨著電氣工程的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)也被逐漸應(yīng)用到電氣工程領(lǐng)域。運(yùn)用人工智能，可以在電氣工程生產(chǎn)和實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)模擬人類(lèi)收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能分析、處理和反饋的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)精確化、智能化的生產(chǎn)，同時(shí)可以解放人力、降低成本、提高生產(chǎn)效率。

2.2.4 電能質(zhì)量不斷提高

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，智能手機(jī)和電腦等對(duì)電能質(zhì)量敏感的設(shè)備不斷普及，電力系統(tǒng)諧波污染也愈加嚴(yán)重。因此對(duì)電能質(zhì)量的要求也上升到了一個(gè)新的高度，電能質(zhì)量的提升是持續(xù)推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然需求，如何有效地解決電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)于家庭、企業(yè)、社會(huì)都非常重要。