第二章 電氣工程發(fā)展簡(jiǎn)史

1、電氣工程導(dǎo)論,1,第2章 電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,這個(gè)過(guò)程大致可分為三個(gè)階段。 第一階段，從公元前大約7世紀(jì)至公元16世紀(jì)上半葉，在長(zhǎng)達(dá)兩千余年的歲月里，人類(lèi)對(duì)電、磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)十分緩慢，一直停留在單純地觀察記錄的水平上。 第二階段，自16世紀(jì)下半葉英國(guó)女王的侍醫(yī)官吉爾伯特開(kāi)始，人們對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行了探討，并作了一些定性的歸納和總結(jié)。這一階段大約持續(xù)了二百年。 第三階段，從18世紀(jì)的卡文迪許、庫(kù)侖開(kāi)始，人們對(duì)電磁現(xiàn)象的研究進(jìn)入了用科學(xué)方法定量研究、總結(jié)歸納從而得出規(guī)律的階段。,電氣工程導(dǎo)論,2,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電氣工程導(dǎo)論,3,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電氣工程導(dǎo)論,4,電氣科學(xué)與工程

2、的發(fā)展簡(jiǎn)史,帶有萊頓瓶的起電機(jī),電氣工程導(dǎo)論,5,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電氣工程導(dǎo)論,6,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,庫(kù)侖定律,電氣工程導(dǎo)論,7,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電氣工程導(dǎo)論,8,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電氣工程導(dǎo)論,9,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,安培與他的實(shí)驗(yàn)裝置,安培定律,電氣工程導(dǎo)論,10,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電氣工程導(dǎo)論,11,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,歐姆與他的實(shí)驗(yàn)裝置,歐姆定律,電氣工程導(dǎo)論,12,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,法拉第與最早的發(fā)電機(jī)法拉第盤(pán),法拉第電磁感應(yīng)定律,電氣工程導(dǎo)論,13,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電氣工程導(dǎo)論,14,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史

3、,皮克斯發(fā)明的直流發(fā)電機(jī),電氣工程導(dǎo)論,15,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,雅可比發(fā)明的世界上第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)模型（左） 與實(shí)用電動(dòng)機(jī)（右，復(fù)制品）,電氣工程導(dǎo)論,16,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,西門(mén)子與他的自激式發(fā)電機(jī),電氣工程導(dǎo)論,17,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電氣工程導(dǎo)論,18,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,麥克斯韋與他所著的電磁通論,麥克斯韋方程,電氣工程導(dǎo)論,19,電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史,電弧燈（左）與愛(ài)迪生發(fā)明的白熾燈,電氣工程導(dǎo)論,20,3.1 電工技術(shù)的初期發(fā)展,3.1.1 人類(lèi)近代的技術(shù)革命,基 礎(chǔ)：牛頓力學(xué),主要標(biāo)志：蒸汽機(jī),應(yīng) 用：機(jī)器制造、采礦、鐵路、冶金、紡織,基 礎(chǔ)：電磁學(xué)

4、原理、電路原理、化工原理、力學(xué)等,主要標(biāo)志：電力、鋼鐵、化工；汽車(chē)、飛機(jī)、通訊,電氣工程導(dǎo)論,21,應(yīng) 用：電氣工程、電子信息、通信、自動(dòng) 控制 化工、鋼鐵等領(lǐng)域,基 礎(chǔ)：電子技術(shù)、信息理論、系統(tǒng)理論、控制理論,主要標(biāo)志：原子能利用、電子管、半導(dǎo)體、集成電路,應(yīng) 用：電氣工程、電子信息、通信、自動(dòng)控制、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、化工 等領(lǐng)域。,電氣工程導(dǎo)論,22,3.1.2 電工技術(shù)的初期發(fā)展,1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理，奠定了發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)?？茖W(xué)的發(fā)現(xiàn)，引起了技術(shù)的發(fā)明。 1866年，德國(guó)物理學(xué)家西門(mén)子發(fā)明了勵(lì)磁電機(jī)，并預(yù)見(jiàn)：電力技術(shù)很有發(fā)展前途，它將會(huì)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新紀(jì)元。 西

5、門(mén)子生于漢諾威的累爾特。 18歲入普魯士炮兵服役，后進(jìn)柏 林陸軍大學(xué)學(xué)習(xí)，畢業(yè)后到兵廠 工作，斯28歲提升為柏林炮廠廠 長(zhǎng)。31歲時(shí)和機(jī)械師哈爾克在柏 林郊區(qū)創(chuàng)設(shè)了西門(mén)子哈爾斯克 電報(bào)機(jī)制造廠。,電氣工程導(dǎo)論,23,1879年10月，美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生（Thomas Alva Edison，18471931）發(fā)明了電燈。 1882年，愛(ài)迪生建成世界上第一座較正規(guī)的發(fā)電廠，裝有6臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，共900馬力（1馬力=0.735kW，），通過(guò)110V電纜供電，最大送電距離1.6km，供6200盞白熾燈照明用，完成了初步的電力工業(yè)技術(shù)體系。 愛(ài)迪生曾說(shuō)：“天才是99的汗水，加上1的靈感?！?1892年，

6、愛(ài)迪生創(chuàng)立通用電氣公司。 愛(ài)迪生象征著美國(guó)由窮變富的理想，愛(ài)迪生的一生，是美國(guó)從落后農(nóng)業(yè)國(guó)向工業(yè)國(guó)過(guò)渡、從全盤(pán)照搬歐洲技術(shù)到建立美國(guó)自己的技術(shù)體系的時(shí)代。,電氣工程導(dǎo)論,24,1885年意大利科學(xué)家法拉里提出的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，對(duì)交流電機(jī)的發(fā)展有重要的意義。 美國(guó)發(fā)明家、工業(yè)家威斯汀豪（George Wistinghouse，18461914）生于紐約州的一個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商家庭。在龍寧學(xué)院學(xué)習(xí)后，參加南北戰(zhàn)爭(zhēng)的北軍，在陸軍和海軍服役。1865年發(fā)明旋轉(zhuǎn)式蒸汽機(jī)而首次獲專(zhuān)利。 1869年設(shè)立威斯汀豪空氣制動(dòng)器公司（西屋空氣制動(dòng)器公司），在匹茲堡建設(shè)工廠，生產(chǎn)鐵路制動(dòng)器和鐵路信號(hào)裝置，其產(chǎn)品暢銷(xiāo)歐美。

7、,電氣工程導(dǎo)論,25,威斯汀豪自1870年代就開(kāi)始研究電機(jī)。1885年，他購(gòu)置了法國(guó)高拉德（18501888）和英國(guó)吉布斯于1881年的發(fā)明的“供電交流系統(tǒng)”專(zhuān)利權(quán)。在他領(lǐng)導(dǎo)下，與研制變壓器和配電設(shè)備的斯坦利、發(fā)明多項(xiàng)交流發(fā)電機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特斯拉、研制測(cè)量設(shè)備的沙倫伯格等，共同完成了交流發(fā)電、供電系統(tǒng)，并在匹茲堡創(chuàng)建了交流配電網(wǎng)。 在完成這一巨大工程中，顯示出他的重用優(yōu)秀技術(shù)專(zhuān)家的領(lǐng)導(dǎo)藝術(shù)和組織才能。于1886年成立威斯汀豪電氣公司(西屋電氣公司) ；1889年，威斯汀豪電氣公司更名為威斯汀豪電氣和制造公司。威斯汀豪一生獲專(zhuān)利100多項(xiàng)。,電氣工程導(dǎo)論,26,美籍南斯拉夫電氣工程師特斯拉（N

8、ikola Tesla，18561943）1883年發(fā)明了世界上第一臺(tái)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。1888年發(fā)明的兩相異步特斯拉電動(dòng)機(jī)和交流電力傳輸系統(tǒng)。 美國(guó)采用60赫茲作為工業(yè)用電的標(biāo)準(zhǔn)頻率與他有很大關(guān)系。 特斯拉出生于奧匈帝國(guó)的一個(gè)牧師家庭，具有難以置信的記憶力和對(duì)數(shù)學(xué)的理解能力。 于1884年移居美國(guó)，先是受雇于愛(ài)迪生；當(dāng)時(shí)正值“電流爭(zhēng)論”時(shí)期，一方面發(fā)明家愛(ài)迪生堅(jiān)持繼續(xù)使用直流電；另一方面，發(fā)明家威斯汀豪則主張改用交流電。由于特斯拉對(duì)交流電感興趣，便離開(kāi)了愛(ài)迪生而加入了威斯汀豪的企業(yè)。,電氣工程導(dǎo)論,27,3.2 電工理論的建立,3.2.1 電路理論的建立,1778年，伏特就提出電容的概念，導(dǎo)體上儲(chǔ)

9、存電荷QCU。 1826年歐姆發(fā)表歐姆定律。 1831年法拉第發(fā)表電磁感應(yīng)定律。 1832年亨利提出了表征線圈中自感應(yīng)作用的自感系數(shù)L，即磁通Li。 俄國(guó)楞次提出：導(dǎo)體中由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流，也遵守歐姆定律。,電氣工程導(dǎo)論,28,1853年，亥爾姆霍茲提出電路中的等效發(fā)電機(jī)原理。一個(gè)線性含有電源的一端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)外電路而言，可以簡(jiǎn)化為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻的串聯(lián)電路來(lái)等效替代。 1855年湯姆遜發(fā)表了電纜傳輸理論論文，他采用電容、電阻構(gòu)成的梯形電路，來(lái)構(gòu)成長(zhǎng)距離電纜的等效電路模型，分析了電報(bào)信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳送所產(chǎn)生衰減、延遲、失真的原因。,電氣工程導(dǎo)論,29,德國(guó)出生的美籍電氣工程師施泰因梅茨（C

10、.P.Steinmetz, 18651923）對(duì)交流電路理論的發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。他出生即帶有殘疾，自幼受人嘲侮，但他意志堅(jiān)強(qiáng)，刻苦學(xué)習(xí)，1882年入布雷斯勞大學(xué)就讀。,正弦交流電路計(jì)算方法的一個(gè)重要進(jìn)展，是由施泰因梅茨于1893年提出的分析交流電路的符號(hào)法（相量法）。他利用數(shù)學(xué)中的第莫威定理，用復(fù)數(shù)的模和輻角來(lái)代表有正弦量的效值（或最大值）和初相位。在相同頻率下的三角函數(shù)運(yùn)算，就可以轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)的代數(shù)運(yùn)算了。,電氣工程導(dǎo)論,30,3.2.2 電網(wǎng)絡(luò)理論的建立,20世紀(jì)初，由于通訊技術(shù)的興起，促進(jìn)了電網(wǎng)絡(luò)理論的研究。1920年，坎貝爾與瓦格納研究了梯形結(jié)構(gòu)的濾波電路。1923年，坎貝爾還提出了濾波

11、器的設(shè)計(jì)方法。 1924年，福斯特提出了電感、電容二端網(wǎng)絡(luò)的電抗定理。此后便建立了由給定頻率特性而設(shè)計(jì)電路的電網(wǎng)絡(luò)綜合理論。 在電子管問(wèn)世以后，電子電路分析的理論迅速發(fā)展。1932年瑞典科學(xué)家奈奎斯特提出了由反饋電路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性，來(lái)判斷閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。,電氣工程導(dǎo)論,31,1945年，美國(guó)伯德出版了網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器一書(shū)，書(shū)中總結(jié)了負(fù)反饋放大器的原理，由此形成了分析線性電路、控制系統(tǒng)的頻域分析方法，并獲得了廣泛應(yīng)用。 20世紀(jì)中期以后電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為電工理論的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具。電網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)輔助分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。電工理論與其他學(xué)科的理論相互借鑒，繼續(xù)在

12、新的技術(shù)進(jìn)步中共同發(fā)展。,電氣工程導(dǎo)論,32,3.2.3 電磁場(chǎng)理論的建立,19世紀(jì)中期已經(jīng)有了關(guān)于靜電現(xiàn)象的庫(kù)侖定律、關(guān)于電流和磁場(chǎng)關(guān)系的安培環(huán)路定律和法拉第電磁感應(yīng)定律。 1846年法拉第發(fā)表了一篇論文，設(shè)想光是力線振動(dòng)的表現(xiàn)。他的這些論斷，由英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋所繼承。 麥克斯韋在1856年發(fā)表“論法拉第力線”一文，對(duì)力線進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述； 1861年麥克斯韋發(fā)表的“論物理力線”的重要論文中提出了電位移的概念，并稱電位移矢量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)為“位移電流”密度。,電氣工程導(dǎo)論,33,1864年麥克斯韋發(fā)表了“電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)”論文，描述電磁場(chǎng)的空間分布和時(shí)間變化規(guī)律，提出了電磁場(chǎng)的基本方程組。

13、1887年赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，使麥克斯韋的預(yù)言得到證實(shí)。他的電磁場(chǎng)理論具有相當(dāng)普遍的意義，成為電工技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)的基本依據(jù)。 50年代以來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有了求數(shù)值解的有力手段，擴(kuò)大了可以進(jìn)行計(jì)算的問(wèn)題的范圍，電路仿真技術(shù)、電磁場(chǎng)仿真技術(shù)也逐步推廣使用。電工理論隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷的發(fā)展。,電氣工程導(dǎo)論,34,計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展 第一代：1946 1958，電子管 第二代：1959 1963，晶體管 第三代：1964 1970，集成電路 第四代：1971現(xiàn)在，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路 發(fā)展趨勢(shì)：微型化、巨型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化 目前世界上計(jì)算機(jī)的最快速度：數(shù)1000萬(wàn)億

14、次/秒,電氣工程導(dǎo)論,35,中國(guó)設(shè)計(jì)制造的超級(jí)計(jì)算機(jī) 時(shí)間：2009.10 名稱：天河一號(hào) 計(jì)算速度：1206萬(wàn)億/秒 設(shè)計(jì)制造單位：國(guó)防科技大學(xué),電氣工程導(dǎo)論,36,3.3.3 自動(dòng)控制技術(shù),自動(dòng)控制是在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程、工藝參數(shù)、目標(biāo)要求等進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)與控制，使之按照預(yù)定的方案達(dá)到要求的指標(biāo)。自動(dòng)控制技術(shù)屬于信息科學(xué)和信息技術(shù)范疇，它是信息處理技術(shù)的一項(xiàng)技術(shù)。 控制系統(tǒng)主要由控制器和控制對(duì)象兩大部分構(gòu)成。 控制系統(tǒng)的數(shù)字模型有兩部分組成：一部分是目標(biāo)函數(shù)，由一個(gè)關(guān)于狀態(tài)變量X(t)，控制變量U(t) 和時(shí)間t的函數(shù)的積分來(lái)表示；另一部分是約束條件，這些約束

15、條件包括被控對(duì)象狀態(tài)方程、狀態(tài)的初始條件等。,電氣工程導(dǎo)論,37,3.3.4 能源新技術(shù),能源是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的生要的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，隨 著機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化程度的不斷提高，生產(chǎn)上對(duì)能源的需求量也就越來(lái)越大。 能源和人民的衣、食、住、行等密切相關(guān)。 能源與國(guó)防的關(guān)系至為密切，不僅在生產(chǎn)種種武器上需用大量能源，而且在使用各種武器時(shí)也離不開(kāi)能源。 能源問(wèn)題直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高。,電氣工程導(dǎo)論,38,能源新技術(shù)包括各種能源資源從開(kāi)采到最終使用各個(gè)環(huán)節(jié)的先進(jìn)技術(shù),、潔凈煤技術(shù) 先進(jìn)燃燒和污染處理技術(shù) 煤的氣化與液化 、核能新技術(shù) 新一代壓水堆核

16、電站 核燃料的增殖快中子增殖反應(yīng)堆 新的供熱資源低溫核供熱堆和高溫氣冷堆 受控?zé)岷司圩兡?電氣工程導(dǎo)論,39,、新能源技術(shù) 太陽(yáng)能新技術(shù) 風(fēng)能技術(shù) 物質(zhì)能利用新技術(shù) 波浪能和潮汐能 氫能利用技術(shù),、節(jié)能新技術(shù) 余熱回收利用技術(shù) 電子電力技術(shù) 高效電動(dòng)機(jī) 高效節(jié)能照明技術(shù) 遠(yuǎn)紅外線加熱技術(shù) 電熱膜加熱技術(shù),電氣工程導(dǎo)論,40,3.3.5 激光技術(shù),激光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大成就。它一問(wèn)世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門(mén)新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光器的發(fā)明不僅是光學(xué)發(fā)展史上的偉大里程碑，而且是整個(gè)科技史上的一個(gè)偉大里程碑。激光

17、技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中正在發(fā)揮越來(lái)越大的作用?，F(xiàn)代激光技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工、精密測(cè)量、通訊、信息處理、醫(yī)學(xué)、軍事和科學(xué)技術(shù)研究等領(lǐng)域,電氣工程導(dǎo)論,41,3.4 新理論、新材料對(duì)電工技術(shù)的影響,上世紀(jì)40年代末，半導(dǎo)體三極管的發(fā)明標(biāo)志著電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，很快就出現(xiàn)了多種半導(dǎo)體器件，在體積小、重量輕、功耗低等方面顯示出優(yōu)越的性能。使電氣工程中的控制設(shè)備得到更進(jìn)一步升級(jí)。 在40年代末電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明是科技進(jìn)步新的里程碑，50年代末研究出多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，使得計(jì)算機(jī)的使用日趨方便。高速、大容量的電子計(jì)算機(jī)的作用已遠(yuǎn)不限于用作快速的計(jì)算工具，而是在電力系統(tǒng)的生產(chǎn)、科學(xué)研究、管理等方面都成為技術(shù)進(jìn)

18、步的非常有力的手段。,電氣工程導(dǎo)論,42,3.4.1 20世紀(jì)下半葉對(duì)電工技術(shù)有影響的研究成果,50年代以后，在受控?zé)岷司圩冄芯亢涂臻g技術(shù)的推動(dòng)下，等離子物理學(xué)與放電物理學(xué)蓬勃發(fā)展，在理論和應(yīng)用兩方面都取得豐碩成果。 等離子體是宇宙中絕大部分可見(jiàn)物質(zhì)的存在形式，等離子體科學(xué)已涵蓋了受控?zé)岷司圩?、低溫等離子體物理及應(yīng)用、基礎(chǔ)等離子體物理、國(guó)防和高技術(shù)應(yīng)用、天體和空間等離子體物理等分支領(lǐng)域。 這些研究領(lǐng)域?qū)θ祟?lèi)面臨的能源等許多全局性問(wèn)題的解決具有重大意義。,電氣工程導(dǎo)論,43,核能發(fā)電 磁流體發(fā)電 風(fēng)能發(fā)電 太陽(yáng)能發(fā)電 煤氣蒸汽聯(lián)合發(fā)電 其它新能源,3.4.2 21世紀(jì)上半葉電工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),3.4.2.1 能源、電力,電氣工程導(dǎo)論,44,磁浮列車(chē) 磁流體推進(jìn)船 電動(dòng)車(chē),3.4.2.2 交通運(yùn)輸,電氣工程導(dǎo)論,45,超導(dǎo)電力電纜 超導(dǎo)限流器 超導(dǎo)儲(chǔ)能 超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)直流電機(jī),3.4.2.3 超導(dǎo)電工,電氣工程導(dǎo)論,46,思考題 3.1 在電工技術(shù)的初期發(fā)展過(guò)程中，有哪些科學(xué) 家分別作出了什么貢獻(xiàn)？ 3.2 電工理論包含哪幾個(gè)方面？它對(duì)電工技術(shù)的 發(fā)展有何作用？ 3.3 人類(lèi)在對(duì)電磁現(xiàn)象的研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了哪 些主要定律？ 3.4 在新技術(shù)革命過(guò)程中取得了哪些主要成果？ 其中哪些成果對(duì)電氣工程有何影響？,2,電氣工程導(dǎo)論,47,電氣工程,三、電氣科