議電氣工程技術(shù)與學(xué)科發(fā)展的歷史及展望

議電氣工程技術(shù)與學(xué)科發(fā)展的歷史及展望論文摘要：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(shí)期電氣工程技術(shù)的進(jìn)步這樣一個(gè)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(shì)。論文關(guān)鍵詞：電氣工程技術(shù)；電氣學(xué)科；發(fā)展史一、電氣工程技術(shù)的發(fā)展史電氣工程（ElectricalEngineering）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.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(duì)電有了最早、最樸素的認(rèn)識(shí)，天然磁石吸鐵是人類對(duì)磁現(xiàn)象的最早觀察，然而，人類對(duì)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(duì)電的早期實(shí)驗(yàn)，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(cè)量靜電力和磁力總結(jié)出：兩個(gè)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(duì)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)把任何潮濕物體放到兩個(gè)不同金屬之間都會(huì)產(chǎn)生電流，一年后伏特發(fā)明了世界上第一個(gè)電池，自此人類對(duì)電的研究由靜電擴(kuò)大到了動(dòng)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(dòng)，之后他經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。其后安培進(jìn)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(dòng)方向之間的關(guān)系。安培還通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)通電導(dǎo)體和兩個(gè)通電線圈之間相互作用的規(guī)律，從而奠定了電動(dòng)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(gè)成功完成磁生電實(shí)驗(yàn)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(chǎng)；三是運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定電流；四是運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)；五是在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電線。法拉第把這一現(xiàn)象叫做“電磁感應(yīng)”?，F(xiàn)代中小學(xué)教育電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使生產(chǎn)電成為可能，至今，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器都是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理工作的。

（5）麥克斯韋建立電磁場(chǎng)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(chǎng)，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(chǎng)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(xiàn)，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(jì)通信技術(shù)取得了突破性成果，先后發(fā)明了有線電報(bào)、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(huì)發(fā)展歷程中經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，對(duì)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(huì)生產(chǎn)、生活信息化為特點(diǎn)，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(tái)發(fā)電機(jī)——蒸汽動(dòng)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(tái)直流發(fā)動(dòng)機(jī)；1866年西門子發(fā)明了自激式勵(lì)磁直流發(fā)電機(jī)；1870年格拉姆發(fā)明了實(shí)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。算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，人類社會(huì)生活也由此發(fā)生了巨大變革，人類從此進(jìn)入信息時(shí)代。

1920年人們發(fā)現(xiàn)電離層對(duì)無線電短波有反射作用。1935年人們發(fā)現(xiàn)了雷達(dá)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(duì)無線電波的屏蔽，實(shí)現(xiàn)了宇宙范圍的無線電通信。20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)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(jì)80年代以后尋呼機(jī)和移動(dòng)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(gè)真理：一是任何理論的創(chuàng)立和技術(shù)的進(jìn)步都要靠眾多科學(xué)家甚至一代代人的不懈努力而實(shí)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(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展和人類社會(huì)的巨大進(jìn)步，科技是第一生產(chǎn)力，創(chuàng)新是社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)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(hào)08），其下設(shè)五個(gè)一級(jí)學(xué)科：電氣工程（一級(jí)學(xué)科編號(hào)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（0812）。這五個(gè)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，教學(xué)與管理電能的突出優(yōu)點(diǎn)在于：它既是易于傳輸?shù)墓I(yè)動(dòng)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(jì)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。

我國電氣工程一級(jí)學(xué)科下設(shè)五個(gè)二級(jí)學(xué)科：電機(jī)與電器（二級(jí)學(xué)科編號(hào)080801）、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化（080802）、高電壓與絕緣技術(shù)（080803）、電力電子與電力傳動(dòng)（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(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理、自動(dòng)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(jī)學(xué)、高電壓與絕緣、電力拖動(dòng)、輸配電、工廠企業(yè)供電、電力市場(chǎng)等。

19世紀(jì)末歐美大學(xué)先后設(shè)立了電氣工程（ElectricalEngineering）專業(yè)，100多年來，其名稱雖然沒變，但內(nèi)涵已隨著科技的飛速發(fā)展有了非常大的變化。過去歐美的電氣工程專業(yè)是以電力工程為主，現(xiàn)在電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)已成為該專業(yè)的核心，美國一些著名高校甚至已不開設(shè)電力工程研究方向。有些大學(xué)把計(jì)算機(jī)技術(shù)從電氣工程系分離了出去，單獨(dú)成立了計(jì)算機(jī)科學(xué)系。

我國的電氣工程始于1908年上海南洋公學(xué)的電機(jī)電工學(xué)科，就是上海交大的前身，距今也有100多年的歷史了。1917年該校的電機(jī)?？圃O(shè)立了電訊門，即我國最早的無線電專業(yè)，如今的電子信息及計(jì)算機(jī)專業(yè)群都是由此發(fā)展演化而來的。1932年，清華大學(xué)設(shè)置了電機(jī)系。建國后，我國建立了一大批以工科為主的多科性大學(xué)，其中大多設(shè)立了電機(jī)工程系。1977年以后，大部分高校的“電機(jī)工程系”陸續(xù)更名為“電氣工程系”，近幾年來，部分高校又把“電氣工程系”發(fā)展成為“電氣工程學(xué)院”。我國的電氣工程雖然與國外名稱相同，但內(nèi)涵有很大區(qū)別，我國大學(xué)一般都是強(qiáng)弱電分開，即電氣類與電信類分設(shè)在不同的學(xué)院。

100多年以來，電氣工程學(xué)科已發(fā)展成為覆蓋多門類交叉學(xué)科、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊的完善的學(xué)科，教育研究與實(shí)驗(yàn)形成了強(qiáng)弱電結(jié)合、軟硬件結(jié)合、機(jī)電結(jié)合的學(xué)科特點(diǎn)。

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(shì)：

（1）在學(xué)科中融入大量信息技術(shù)知識(shí)。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(duì)電氣工程學(xué)科的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)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(duì)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(jì)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(shí)。

（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。三、電氣技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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)。

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(cè)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——?dú)淠堋？茖W(xué)家們一直致力于研究把氫能作為人類未來的能源，教學(xué)月刊(中學(xué)版)氫能有其他能源無與倫比的優(yōu)勢(shì)：

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

（2）儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室階段，距工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。

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(shì)。

（1）超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。將電能轉(zhuǎn)換為電磁能，利用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存起來。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)是除電池儲(chǔ)能系統(tǒng)之外的又一儲(chǔ)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