電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史

電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史一、電氣科學(xué)的萌芽與理論形成人類(lèi)最初是從自然界的雷電現(xiàn)象和天然磁石中開(kāi)始注意電磁現(xiàn)象的士希臘和中國(guó)的古代文獻(xiàn)都記載了琥珀摩擦后吸引細(xì)微物體和天然磁石吸鐵的現(xiàn)象。公元前1100—前771年，中國(guó)的青銅器上就出現(xiàn)了篆文的"電"字。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，出現(xiàn)了用磁石指示方向的儀器——司南，成為中國(guó)古代四大發(fā)明之一。公元1世紀(jì)王充所著《論衡》一書(shū)中，記載了"頓牟授芥，磁石引針"的現(xiàn)象（頓牟∶琥珀，攝∶吸引，芥∶很輕的植物籽），最早把靜電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象相并列?！墩摵狻分羞€對(duì)司南的形狀和用法做了明確的記錄，圖1-1是后人根據(jù)書(shū)中的描述復(fù)制的司南模型。到了宋代，用磁鐵制成的指南針已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。司南近代電磁學(xué)的研究，可以認(rèn)為開(kāi)始于英國(guó)的W.吉爾伯特（WilliamGilbert1544—1603）。1600年，他用拉丁文發(fā)表了《論磁石》（DeMagnete，英語(yǔ)譯為OntheMagnet）一書(shū)（如圖1-2所示），系統(tǒng)地討論了地球的磁性，認(rèn)為地球是個(gè)大磁石，還提出可以用磁傾角判斷地球上各處的緯度?，F(xiàn)代英語(yǔ)中Electricity（電）這個(gè)字就是他根據(jù)"琥珀"的希臘文字（ηλekrpop）和拉丁文字（electrum）創(chuàng)造的。吉爾伯特的實(shí)驗(yàn)和研究發(fā)展了有關(guān)電的知識(shí)。在他之前，人們對(duì)電的認(rèn)識(shí)基本上停留在希臘哲學(xué)家泰勒斯所描述的琥珀經(jīng)座擦?xí)a(chǎn)生電的水平上。吉爾伯特設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)驗(yàn)電器，由一個(gè)尖頂支撐一根能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的指針。他把鉆石、寶石、玻璃、水晶、硫黃、樹(shù)脂等各種物體摩擦后靠近指針，看指針是否被吸引向這些物體。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)，他得出結(jié)論;琥珀的性質(zhì)是許多其他物質(zhì)共有的。他把這些物質(zhì)稱(chēng)為"帶電體"，而血把金屬物質(zhì)列為"非帶電體。他當(dāng)時(shí)還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到，金屬在摩擦?xí)r也會(huì)產(chǎn)生電荷，只不過(guò)因?yàn)槭菍?dǎo)體，靜電荷會(huì)瞬間流失。在吉爾伯特之后，奧托·馮·庫(kù)克于1660年發(fā)明了摩擦起電機(jī);斯帶芬·格雷于1729年發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體;杜斐于1733年描述了點(diǎn)的兩種力——吸引力和排斥力。1745年荷蘭萊頓大學(xué)的克里斯特與莫什布魯克發(fā)現(xiàn)電可以存儲(chǔ)在裝有銅絲或水銀的玻璃瓶里，格魯斯拉根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)制成萊頓瓶，也就是電容器的前身。1752年，美國(guó)人本杰明·富蘭克林（BenjaminFranklin，1706—1790）通過(guò)著名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)得出閃電等同于電的結(jié)論，并首次將正、負(fù)號(hào)用于電學(xué)中。隨后，普里斯特里、泊松、庫(kù)倫、卡文迪許等一批杰出的科學(xué)家對(duì)電學(xué)的理論做出了重要貢獻(xiàn);普里斯特里發(fā)現(xiàn)了電荷間的平方反比律;泊松把數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于電場(chǎng)計(jì)算;庫(kù)倫（CharlesAugustindeCoulomb.1736—1806）在1777年發(fā)明了能夠測(cè)量電荷量的扭力天平，利用扭力天平，庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)電荷引力或斥力的大小與兩個(gè)小球所帶電荷電量的乘積成正比，而與兩小球球心之間的距離平方成反比的規(guī)律，這就是著名的庫(kù)侖定律。1800年，意大利科學(xué)家伏特（AlessandroVolta.1745—1827.也譯為伏打）發(fā)明了伏打電池，也譯為伏打電堆，從而使化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為源源不斷輸出的電能。這一裝置使電不再是微弱的或轉(zhuǎn)瞬即逝的現(xiàn)象.從而讓電學(xué)終于邁出了靜電學(xué)的狹小范圍，極大地推動(dòng)了電學(xué)的研究與應(yīng)用。因此，伏打電池被稱(chēng)為電學(xué)的一個(gè)重要里程碑。1820年，丹麥科學(xué)家?jiàn)W斯特（HansChristianOersted，1777—1851）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電可以轉(zhuǎn)化為磁的現(xiàn)象;同年，法國(guó)科學(xué)家安培（AndreMarieAmpere.1775—1836）發(fā)現(xiàn)了兩根通電導(dǎo)線之間會(huì)發(fā)生吸引或排斥（如圖1-6所示）。安培在此基礎(chǔ)上提出的載流導(dǎo)線之間的相互作用力定律后來(lái)被稱(chēng)為安培定律，成為電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。1827年，德國(guó)科學(xué)家歐姆（GeorgSimonOhm，1789—1854）用公式描述了電流、電壓、電阻之間的關(guān)系，創(chuàng)立了電學(xué)中最基本的定律——?dú)W姆定律。1831年8月29日，英國(guó)科學(xué)家法拉第（MichaelFaraday，1791—1867）成功地進(jìn)行了"電磁感應(yīng)"實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了磁可以轉(zhuǎn)化為電的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，法拉第創(chuàng)立了電磁感應(yīng)定律。電磁感應(yīng)定律是研究暫態(tài)電路的基本定律。至此，電與磁之間的統(tǒng)一關(guān)系終于被人類(lèi)所認(rèn)識(shí)，并從此誕生了電磁學(xué)。法拉第是一位杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他還發(fā)現(xiàn)了載流體的自感與互感現(xiàn)象，并提出電力線與磁力線概念。1831年10月，法拉第創(chuàng)制了世界上第一部感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型——法拉第盤(pán)。19世紀(jì)初提出的電磁理論，導(dǎo)致了物理學(xué)的一次革命。從奧斯特、安培發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)開(kāi)始，到法拉第對(duì)電磁學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和完善，直至電磁學(xué)理論的建立，經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的歷程。19世紀(jì)中期，有一大批科學(xué)家為電氣科學(xué)與電氣工程做出了杰出貢獻(xiàn)。他們中間有韋伯（WilhelmEduardWeber，1804—1891）、亨利（AndrewHenry，1797—1878）、赫爾姆霍茲（HermannLadwigFerdinandvonHelmholtz.1821—1894）、基爾霍夫（GustavKirchhoff，1824—1887）等。而最終用數(shù)理科學(xué)方法使電磁學(xué)理論體系建立起來(lái)的，是英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（JamesClerkMaxwell，1831—1879）。1864年，他在《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》中，利用數(shù)學(xué)進(jìn)行分析與綜合，在前人的研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步把光與電磁的關(guān)系統(tǒng)一起來(lái)，建立了麥克斯韋方程。1873年他完成了劃時(shí)代的科學(xué)理論著作——《電磁通論》（如圖1-9所示）。麥克斯韋方程是現(xiàn)代電磁學(xué)最重要的理論基礎(chǔ)，成為20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展最主要的動(dòng)力之一。在1881年巴黎博覽會(huì)上，電氣科學(xué)家與工程師統(tǒng)一了電學(xué)單位，一致同意采用早期為電氣科學(xué)與工程做出覺(jué)獻(xiàn)的科學(xué)家的姓作為電學(xué)單位名稱(chēng).從而使申氣工程成為在全世界范圍內(nèi)傳播的一門(mén)新興學(xué)科。二、電氣科學(xué)進(jìn)入實(shí)用階段在生產(chǎn)需要的直接推動(dòng)下，具有實(shí)用價(jià)值的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)相繼問(wèn)世，并在應(yīng)用中不斷得到改進(jìn)和完善。發(fā)電機(jī)的發(fā)明和電動(dòng)機(jī)的發(fā)明是交叉進(jìn)行的。早期的用電設(shè)備只能由伏打電池供電，不僅成本非常高，功率也不大.因此人們開(kāi)始研究實(shí)用的發(fā)電機(jī)。初始階段的發(fā)電機(jī)是永磁式發(fā)電機(jī)，即用永久磁鐵作為場(chǎng)磁鐵。1832年，法國(guó)科學(xué)家皮克斯（HippolytePixi.1808—1835）在法拉第的影響下發(fā)明了世界上第一臺(tái)實(shí)用的直流發(fā)電機(jī)，這臺(tái)發(fā)電機(jī)能夠發(fā)出直流電的關(guān)鍵部件——-換向器參考了安培的建議。1845年，英國(guó)物理學(xué)家惠斯通（CharlesWheatstone，1802—1875）通過(guò)外加伏打電池電源給線圈勵(lì)磁，用電磁鐵取代永久磁鐵，取得了成功，隨后又改進(jìn)了電樞繞組，從而制成了第一臺(tái)電磁鐵發(fā)電機(jī)。1866年德國(guó)科學(xué)家西門(mén)子（ErnstWernervonSiemens，1816—1892）制成第一臺(tái)自激式發(fā)電機(jī)（如圖1-11所示）。西門(mén)子發(fā)電機(jī)的成功標(biāo)志著制造大容量發(fā)電機(jī)技術(shù)的突破，因此，西門(mén)子發(fā)電機(jī)在電學(xué)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義德籍俄國(guó)物理學(xué)家雅可比（MoritzHermannvonJacobi，1801—1874）在1834年發(fā)明的功率為15W的棒狀鐵心電動(dòng)機(jī)被公認(rèn)為是世界上第一臺(tái)實(shí)用的電動(dòng)機(jī)。1839年雅可比在涅瓦河上做了用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)船舶的實(shí)驗(yàn)。美國(guó)的一位機(jī)械工程師達(dá)文波特（1802—1851）在1836年用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)木工車(chē)床，1840年又用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)印報(bào)機(jī)。1885年意大利物理學(xué)家加利萊奧·費(fèi)拉里斯（1841—1897）提出了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，并研制出兩相異步電動(dòng)機(jī)模型。1886年美國(guó)的尼古拉·特斯拉（NikolaTesla，1856—1943）也獨(dú)立地研制出兩相異步電動(dòng)機(jī)1888年，俄國(guó)工程師多利沃—多勃羅沃利斯基（MikhailOsipovichDolivoDobrovoliski，1861—1919）研制成功第一臺(tái)實(shí)用的三相交流單籠型異步電動(dòng)機(jī)。到了19世紀(jì)后期，電動(dòng)機(jī)的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍。電鋸、車(chē)床、起重機(jī)、壓縮機(jī)、磨面機(jī)、鑿巖鉆等都已由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，牙鉆、吸塵器等也都用上了電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的申力機(jī)車(chē)、有軌電車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)也在這一時(shí)期得到了快速發(fā)展。1873年，英國(guó)人羅伯特·戴維森研制成第一輛用蓄電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)。1879年5月，發(fā)明了自激發(fā)電機(jī)的德國(guó)科學(xué)家西門(mén)子設(shè)計(jì)制造了—臺(tái)能乘坐18人的三節(jié)敞開(kāi)式車(chē)廂小型電力驅(qū)動(dòng)列車(chē)，這是世界上電力驅(qū)動(dòng)列車(chē)首次成功的試驗(yàn)。世界上最早的申氣化鐵路是在4年后的1883年在英國(guó)開(kāi)始營(yíng)業(yè)的。三、電氣科學(xué)走進(jìn)人類(lèi)日常生活當(dāng)電能在世界上剛剛開(kāi)始應(yīng)用的時(shí)候，它的主要作用就是照明。1809年，英國(guó)著名化學(xué)家戴維（HumphryDav）用2000個(gè)伏打電池供電.通過(guò)調(diào)整木炭電極間的距離使之產(chǎn)生放電而發(fā)出強(qiáng)光，這就是電用于照明的開(kāi)始。1862年，電弧燈首次用于英國(guó)肯特郡海岸的燈塔.后來(lái)很快用于街道照明。這些電弧燈是用兩根有間隙的炭精棒通電產(chǎn)生電弧發(fā)光，光線既不穩(wěn)定又刺眼，還需要不斷調(diào)整放電間隙，而且電弧燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生嗆人的煙氣，不適合室內(nèi)照明。因此，當(dāng)時(shí)有很多科學(xué)家致力于研制利用電流熱效應(yīng)發(fā)光的電燈。1840年，英國(guó)科學(xué)家格羅夫（WilliamRobertGrove，1811—1896）對(duì)密封玻璃罩內(nèi)的鉑絲通以電流，達(dá)到熾熱而發(fā)光.但由于壽命短、代價(jià)太大不切實(shí)用。英國(guó)的斯萬(wàn)（JosephSwan.1828—1914）1879年2月發(fā)明了真空玻璃泡碳絲的電燈，但是由于碳的電阻率很低，要求電流非常大或碳絲極細(xì)才能發(fā)光.制造上困難很大，所以?xún)H僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。八個(gè)月之后（1879年10月），美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生經(jīng)過(guò)不懈努力，終于試驗(yàn)成功了真空玻璃泡中碳化竹絲通電發(fā)光的燈泡（直到1910年才由W，D.庫(kù)里奇改用鎢絲）。其實(shí)，愛(ài)迪生的電燈與斯萬(wàn)的電燈幾乎完全相同，區(qū)別僅僅是燈絲的材料，但愛(ài)迪生在研究上前進(jìn)的這一小步卻使人類(lèi)在電能利用上邁進(jìn)了一大步;他的電燈不僅能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定發(fā)光，而且工藝簡(jiǎn)單、制造成本低廉，使得這種電燈立刻轉(zhuǎn)化為商品，在世界上得到了廣泛應(yīng)用。這一發(fā)明被認(rèn)為是電能進(jìn)入人類(lèi)日常生活的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。四、電力工業(yè)的蓬勃發(fā)展19世紀(jì)后期，由于電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展和電能應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及生產(chǎn)對(duì)電能需要的迅速增長(zhǎng)，都對(duì)能夠大規(guī)模供電的發(fā)電廠建設(shè)提出迫切需求。1875年，法國(guó)巴黎火車(chē)站建立了世界上最早的一座火力發(fā)電廠。1882年、"愛(ài)迪生電氣照明公司"在紐約建成了商業(yè)化的電廠和直流電力網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)電功率660kW，供7200個(gè)白熾燈用電。1883年.美國(guó)細(xì)約和英國(guó)倫敦等大城市先后律成中心發(fā)電廠。1882年，美國(guó)興建了第一座水力發(fā)電站.之后水力發(fā)電逐步發(fā)展起來(lái)。到1898年，紐約又建立了容量為3萬(wàn)千瓦的火力發(fā)電站，用87臺(tái)鍋爐推動(dòng)12臺(tái)大型蒸汽機(jī)為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。最早的發(fā)電廠都采用直流發(fā)電機(jī)。把電發(fā)出來(lái)再把它輸送給用戶(hù)，當(dāng)然輸送的距離越遠(yuǎn)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值越大。在遠(yuǎn)距離輸電方面，很自然地首先用直流電進(jìn)行了嘗試。第一條直流輸電線路在1873年出現(xiàn)，長(zhǎng)度僅有2km。而世界上第—條遠(yuǎn)距離直流輸油試驗(yàn)線路是中法國(guó)人建立的。1882年法國(guó)物理學(xué)家和電氣工程師德普勒（1843—1918）由德國(guó)葛依吉工廠資助，在慕尼黑國(guó)際博覽會(huì)上展出了一條實(shí)驗(yàn)高壓直流輸電線路，把一臺(tái)容量為3馬力（1馬力=735.49875W）的水輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，從米斯巴赫輸送到相距57km的慕尼黑，驅(qū)動(dòng)博覽會(huì)上的一臺(tái)水泵造成了一個(gè)人工噴泉。這一成功實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出電力的巨大潛力，證明了遠(yuǎn)距離輸電的可能性。在這次實(shí)驗(yàn)中，線路始端電壓為1313V，末端降至850V，輸送功率不到200W，輸電損耗也比較大。在直流輸電的發(fā)展過(guò)程中.經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)曾一度達(dá)到甚為可觀的水平。直流發(fā)電機(jī)能發(fā)出的電壓高達(dá)57.6kV，功率達(dá)到4650kW，輸送距離達(dá)到180km。但這種勢(shì)頭很快就遇到了技術(shù)上的極限，難以再取得新的進(jìn)展。從焦耳-楞次定律可知，輸送相同容量的電能，電壓愈高熱損耗就愈小，所以要加大輸電距離與輸電容量，而又保持較低的輸電損失，最有效的辦法就是提高輸電電壓。但是.由于當(dāng)時(shí)要使直流電大幅度地升壓或降壓是無(wú)法做到的，所以直流輸電只能直接把發(fā)電機(jī)端口的高電壓輸送給用戶(hù)，而用戶(hù)直接使用高壓既不安全也不經(jīng)濟(jì)。1882年法國(guó)人高蘭德和英國(guó)人約翰·吉布斯研制成功了第一臺(tái)具有實(shí)用價(jià)值的變壓器。并獲得了"照明和動(dòng)力用電分配辦法"的專(zhuān)利。在這種情況下，能夠升壓與降壓的交流電顯示了其仿越性，因此導(dǎo)致了高壓交流輸電方式的發(fā)展。于是代之而起的是交流由站的建立與此同時(shí)，大型交流發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)的研制和發(fā)展.特別是三相交流電機(jī)的研制成功也為遠(yuǎn)距離交流輸電鋪平了道路。而斯坦邁等科學(xué)家對(duì)交流電路理論的研究成果，特別是符號(hào)法的建立，簡(jiǎn)化了交流電路的計(jì)算，也為交流輸電的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。1888年由英國(guó)工程師費(fèi)朗蒂（SebastianFerranti，1864—1930）設(shè)計(jì)，建設(shè)在泰晤士河畔的倫敦大型交流發(fā)電站開(kāi)始輸電，其輸出電壓高達(dá)10000V，經(jīng)兩級(jí)變壓輸送到用戶(hù)。1892年法國(guó)建成了第一座三相交流發(fā)電站，把交流電站的發(fā)展向前推進(jìn)了一步。1894年俄羅斯建成了當(dāng)時(shí)最大的單相交流發(fā)電站，其功率為800kW，由四臺(tái)蒸汽機(jī)提供動(dòng)力發(fā)電。在電力系統(tǒng)采用直流輸電還是交流輸電的問(wèn)題上曾產(chǎn)生過(guò)一場(chǎng)爭(zhēng)論。當(dāng)時(shí)在美國(guó)由氣界最負(fù)盛名的發(fā)明家愛(ài)迪生和對(duì)電氣化做出了重要貢獻(xiàn)的著名英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姻生以及羅克斯·克峰普響等人都極力反對(duì)使用交流輸電.主張發(fā)展了百流輸電方式∶而英國(guó)的費(fèi)朗蒂、高登等人和美國(guó)的威斯汀豪斯、特斯拉、斯普拉戈等人則力主采用交流輸電。隨著輸電技術(shù)的發(fā)展，交流電很快取代了直流電。這場(chǎng)關(guān)于交、直流輸電方式的爭(zhēng)論，最終以交流輸電派的取勝而告結(jié)束。這場(chǎng)論戰(zhàn)史稱(chēng)"電流戰(zhàn)爭(zhēng)"（WarofCurrents）。遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題的根本解決是三相交流電理論的形成與技術(shù)發(fā)明的結(jié)果。1887—1891年德國(guó)電機(jī)制造公司取得了三相交流電技術(shù)的成功。1891年，在德國(guó)法蘭克福的電氣技術(shù)博覽會(huì)上.成功地進(jìn)行了遠(yuǎn)距離三相交流輸電實(shí)驗(yàn)，將18km外三相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能用8500V的高壓送電.輸電效率達(dá)到75%，而在當(dāng)時(shí)的條件下，如此高的傳輸效率是直流輸電根本達(dá)不到的。從此，高壓交流輸電的有效性和優(yōu)越性得到了公認(rèn)。由于交流輸電的發(fā)展與成功，美國(guó)當(dāng)時(shí)正在準(zhǔn)備建設(shè)的尼亞加拉水電站最終決定采用三相交流輸電系統(tǒng)。威斯江豪斯為其公司爭(zhēng)得了這座水電站的承建合同。該電站總?cè)萘拷?0萬(wàn)千瓦.從1891年開(kāi)始建設(shè)，1895年建成，1896年投入運(yùn)行。它將發(fā)出的5000V電壓用變壓器升至11000V，輸送到40km外的布法羅市。此時(shí)，電力的作用已經(jīng)不僅僅限于照明，而開(kāi)始成為新興工業(yè)的動(dòng)力和能源。電力的應(yīng)用和輸電技術(shù)的發(fā)展，促使一大批新的工業(yè)部門(mén)相繼產(chǎn)生。首先是與電力生產(chǎn)有關(guān)的行業(yè)，如電機(jī)、變壓器、絕緣材料、電線電纜、電氣儀表等電力設(shè)備的制造廠和電力安裝、維修和運(yùn)行等部門(mén);其次是以電作為動(dòng)力和能源的行業(yè)，如照明、電鍍、電解，電車(chē)，電報(bào)等企業(yè)和部門(mén)，而新的日用電器生產(chǎn)部門(mén)也應(yīng)運(yùn)而生。這種發(fā)展的結(jié)果，又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了發(fā)電和高壓輸電技術(shù)的提高。1903年輸電電壓達(dá)到60kV，第一次世界大戰(zhàn)前夕，輸電電壓達(dá)到150kV。五、電氣化時(shí)代的到來(lái)1870—1913年，以電氣化為主要特征的第二次工業(yè)革命，徹底改變了世界的經(jīng)濟(jì)格局。在這一時(shí)期，發(fā)電、輸電、配電已經(jīng)形成了以汽輪機(jī)、水輪機(jī)等為原動(dòng)機(jī).以交流發(fā)電機(jī)為核心.以變壓器與輸都電線路等組成的輸配電系統(tǒng)為"動(dòng)脈"的輸電網(wǎng)。使由力的生產(chǎn)應(yīng)用達(dá)到較高的水平，并具有相當(dāng)大的規(guī)模。在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸中，電力拖動(dòng)、電力牽引、電動(dòng)工具、電加工、電加熱等得到普遍應(yīng)用;到1930年前后，吸塵器、電動(dòng)洗衣機(jī)、家用電冰箱、電灶、空調(diào)器、全自動(dòng)洗衣機(jī)等各種家用電器也相繼問(wèn)世。英國(guó)于1926年成立中央由氣委品會(huì)，1933年建成全國(guó)電網(wǎng)。美國(guó)工業(yè)企業(yè)中以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的比重，從1914年的30%上升到1929年的70%。前蘇聯(lián)在十月革命后不久也提出了全俄電氣化計(jì)劃。20世紀(jì)30年代歐美發(fā)達(dá)國(guó)家都先后完成了電氣化。從此，電力取代了蒸汽，使人類(lèi)邁進(jìn)了電氣化時(shí)代，也使20世紀(jì)成為"電氣化世紀(jì)"。第二次世界大戰(zhàn)以后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展更加迅猛，并使很多傳統(tǒng)學(xué)科發(fā)生了分化。從電氣工程中也逐漸分化出了電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等新興學(xué)科，這些技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用又使電氣工程得到了迅速、長(zhǎng)足的發(fā)展，登上了一個(gè)個(gè)新臺(tái)階。例如;電磁場(chǎng)和電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字計(jì)算機(jī)分析使一些過(guò)去依賴(lài)于復(fù)雜分析與精密實(shí)驗(yàn)解決的難題迎刃而解;電工裝備的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）使整個(gè)電工制造業(yè)的設(shè)計(jì)翻開(kāi)新的一頁(yè);微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展使申力系統(tǒng)和各種申氣設(shè)備的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了全面的變革，成為工業(yè)的強(qiáng)勁動(dòng)力;電力電子的迅速發(fā)展使大功率整流、逆變、變頻設(shè)備得以問(wèn)世，，進(jìn)一步拓寬了電能的應(yīng)用，提高了用電效率，創(chuàng)造了巨大的效益。而一些計(jì)算機(jī)和微電子專(zhuān)用設(shè)備的研制也成為電工新技術(shù)發(fā)展的重要分支。今天，電能的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn).生活的各個(gè)領(lǐng)域.它不僅創(chuàng)造了極大的生產(chǎn)力，而且促進(jìn)了人類(lèi)文明的巨大進(jìn)步，徹底改變了人類(lèi)的社會(huì)生活方式，電氣工程也因此被人們譽(yù)為"現(xiàn)代文明之輪"。六、電氣工程的發(fā)展前景進(jìn)入21世紀(jì)以后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展可以用日新月異來(lái)形容，各種新發(fā)明、新發(fā)現(xiàn)向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的速度越來(lái)越快，學(xué)科之間的交叉和融合成為新世紀(jì)科技發(fā)展的特點(diǎn)。對(duì)于以應(yīng)用性基礎(chǔ)研究為主的電氣工程學(xué)科來(lái)說(shuō)，如何發(fā)展學(xué)科，擴(kuò)大領(lǐng)域，增強(qiáng)活力.開(kāi)拓新局面.在學(xué)術(shù)上有高水平的建樹(shù)，從國(guó)情出發(fā)，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)特別是電力建設(shè)和高新技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)成為亟待解決的戰(zhàn)略問(wèn)題。21世紀(jì)的電氣工程學(xué)科將在與信息科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的交義和融合中取得進(jìn)一一步發(fā)展。創(chuàng)新和飛躍往往發(fā)生在學(xué)科的交叉點(diǎn)上。所以.在21世紀(jì)，電工領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究仍會(huì)是一個(gè)百花齊放、蓬勃發(fā)展的局面，而與其他學(xué)科的融合交叉是它的顯著特點(diǎn)。超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料與水磷材料的最新發(fā)展對(duì)干電工領(lǐng)域有著特別重大的意義從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，實(shí)用超導(dǎo)體的研制成功地開(kāi)創(chuàng)了超導(dǎo)電工的新時(shí)代。目前恒定與脈沖超導(dǎo)磁體技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了成熟階段，得到了多方面的應(yīng)用，顯示了其優(yōu)越性與現(xiàn)實(shí)性。超導(dǎo)加速器與超導(dǎo)核聚變裝置的建成與運(yùn)行成為20世紀(jì)下半葉人類(lèi)科技史中輝煌的成就;超導(dǎo)核磁共振譜儀與磁成像裝置已實(shí)現(xiàn)了商品化。20世紀(jì)80年代制成了高臨界溫度超導(dǎo)體，為21世紀(jì)電氣工程的發(fā)展展示了更加美好的前景。半導(dǎo)體的發(fā)展為電工領(lǐng)域提供了多種電力電子器件與光電器件。電力電子器件為電機(jī)調(diào)速、直流輸電、電氣化鐵路、各種節(jié)能電源和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。光電池效率的提高及成本的降低為光電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)，使太陽(yáng)能光伏發(fā)電已在邊遠(yuǎn)。缺電地區(qū)得到了實(shí)用.并有可能在未來(lái)電力供應(yīng)中占有一定份額。半導(dǎo)體照明是節(jié)能的照明，它能大大降低能耗，減少環(huán)境污染的壓力，是更可靠、更安全的照明。新型永磁材料，特別是釹鐵硼材料的發(fā)明與迅速發(fā)展使永磁電機(jī)、永磁磁體技術(shù)在深入研究的基礎(chǔ)上登上了新臺(tái)階，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。由于微型計(jì)算機(jī)、電力電子和電磁執(zhí)行器件的發(fā)展，使得電氣控制響應(yīng)快、靈活性高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越突出，因此電氣工程正在使一些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)生變革。例如，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與設(shè)備在更多或全面地使用電氣驅(qū)動(dòng)與控制后.大大改善了性能。"線控"汽車(chē)全由艦船、多電/全電飛機(jī)等研究就是其中最典型的例子。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)向、制動(dòng)等都依靠機(jī)械（齒輪與液壓）系統(tǒng)，體積大、響應(yīng)慢、故障率高?，F(xiàn)代汽車(chē)提出了"線控"（WireControl），即通過(guò)導(dǎo)線控制的概念，使過(guò)去以齒輪、液壓為主導(dǎo)的控制讓位干關(guān)軟的導(dǎo)線控制。線控不僅節(jié)省家空間，而且大大提高了車(chē)輛的性能例如，采用智能化的有源減震系統(tǒng)和電控制動(dòng)，改善了車(chē)輛的可靠性和舒適性;機(jī)電一體化平衡系統(tǒng)EML（ElectromechanicalLevelingSvstem）可以減小車(chē)輛的搖擺和俯仰。除此之外，汽車(chē)的電氣設(shè)備也比過(guò)去大大增加∶20世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)轎車(chē)的發(fā)電機(jī)功率一般是500W以下，而現(xiàn)在轎車(chē)發(fā)電機(jī)功率達(dá)到1000W已經(jīng)很普遍。由于車(chē)上自動(dòng)控制與執(zhí)行動(dòng)作所必需的微型電動(dòng)機(jī)數(shù)目不斷增加，消耗的電能也越來(lái)越大。據(jù)美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員預(yù)測(cè)，2005—2015年，豪華轎車(chē)的電氣負(fù)荷平均將達(dá)到1760W（冬季）至2120W（夏季）。目前汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)電壓有兩種∶12V和24V，前者主要用于汽油車(chē)，后者主要用于柴油車(chē)。因?yàn)槠?chē)使用的電氣設(shè)備與導(dǎo)線長(zhǎng)度大大增加，為了減少設(shè)備與線路的電阻損耗，汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)準(zhǔn)備將12V標(biāo)準(zhǔn)電壓提高到42V。全電艦船取消了普通艦船的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不僅節(jié)約了能源，還可以節(jié)省出大量空間。特別是吊艙式（Azipod）全電力推進(jìn)系統(tǒng)的采用.取消了過(guò)去艦船不可缺少的螺旋槳大軸.最大限度地發(fā)揮了全申力排進(jìn)的優(yōu)越性——商船可以多載運(yùn)貨物.軍般口可【以代備事多的武器裝備。傳統(tǒng)軍艦螺旋槳工作時(shí)噪音很大，對(duì)方的聲吶等探測(cè)系統(tǒng)可以很快探出位置和距離;而全電軍艦采用電推進(jìn)后，由于噪音低。具有很強(qiáng)的隱形作戰(zhàn)能力.可以發(fā)動(dòng)突然襲擊.大大增強(qiáng)了作戰(zhàn)能力。同時(shí)，整合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)省下來(lái)的能源可用于支援作戰(zhàn)，比如可支持一些高能耗武器（如激光武器、電磁炮）聲吶，雷達(dá)等。圖1-18所示為蘭ABB公司1998年下水的全電旅游輪船的電氣設(shè)備分布圖。我國(guó)江南造船公司在國(guó)內(nèi)最大海洋監(jiān)測(cè)船"中國(guó)海監(jiān)83"號(hào)上也成功安裝了吊艙式全電力推進(jìn)系統(tǒng)。多電飛機(jī)（MoreElectricAircraft）主要是用電磁懸浮軸承取代發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械軸承、用電磁執(zhí)行器代替液壓和氣動(dòng)執(zhí)行器并且采用更多的電力電子裝置。由于最大限度地減少了油潤(rùn)滑和油/氣控制系統(tǒng)，使多電飛機(jī)的效率與可靠性、易維護(hù)性、保障性和運(yùn)行/保障費(fèi)用都得到了明顯的改善，并使飛機(jī)重量減輕、可用空間增加。其中，固定在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的整體起動(dòng)-發(fā)電機(jī)是集起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)功能于一體的電機(jī)，它利用電機(jī)可逆原理在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作前作為起動(dòng)機(jī)工作，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子到一定轉(zhuǎn)速后噴油點(diǎn)火，使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入自行穩(wěn)定工作狀態(tài);此后，發(fā)動(dòng)機(jī)反過(guò)來(lái)帶動(dòng)電機(jī)，使其成為發(fā)電機(jī)，向飛機(jī)用電設(shè)備供電。多電飛機(jī)用全電氣化傳動(dòng)附件取代機(jī)械液壓式傳動(dòng)附件，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的全電氣化傳動(dòng)。此外，飛機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出的強(qiáng)大電力還生成激光或微波束，作為機(jī)載高能束武器的能源。目前國(guó)外已經(jīng)制造出采用電驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)車(chē)，其混合電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和蓄電池組，在車(chē)輛需要大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，由電池組補(bǔ)充能量，以使發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)變得更小.運(yùn)行效率更高，而且在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)僅使用電池提供動(dòng)力的情況下，能夠短距離寂靜行駛，利于突襲。全電戰(zhàn)車(chē)也正在研發(fā)中。一種全電戰(zhàn)車(chē)的設(shè)計(jì)方案是∶由燃料電池供電，用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能，采用輪轂安裝的永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，用主動(dòng)有源）控制的電氣懸掛系統(tǒng)減輕顛簸，用大功率脈沖電源供電的45mm電磁炮，其殺傷力相當(dāng)于普通的115mm火炮。近年來(lái)，在建筑中綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和電氣工程技術(shù)，構(gòu)成了樓宇自動(dòng)化技術(shù)（智能樓宇技術(shù)）。建設(shè)智能樓宇的目標(biāo)主要體現(xiàn)在∶提供安全、舒適、快捷的優(yōu)質(zhì)服務(wù);建立先進(jìn)的管理機(jī)制;節(jié)省能耗與降低人工成本等三個(gè)方面。智能樓宇中涉及的電氣工程內(nèi)容主要有∶智能建筑的供配電、電驅(qū)動(dòng)與自動(dòng)控制、智