電氣工程概論-4

電學(xué)的發(fā)展歷程古希臘著名自然哲學(xué)家泰利斯第一次記載摩擦起電現(xiàn)象。凡是經(jīng)過摩擦能產(chǎn)生電的物體統(tǒng)稱為“電體”，經(jīng)摩擦后不能產(chǎn)生電的物體稱為“非電體”。之所以無法通過摩擦使金屬帶電，是因為摩擦產(chǎn)生的電通過良導(dǎo)體金屬“跑”掉了，而不能導(dǎo)電的絕緣體經(jīng)過摩擦產(chǎn)生的電，則可以長時間地停留。改進后的萊頓蓄電瓶也只是一個大的玻璃瓶。萊頓蓄電瓶實際上是一只大的平板電容器。瓶的內(nèi)外兩個面上的鉛箔即是電容器的兩塊平板電極A和B；玻璃瓶壁就是夾在兩塊金屬平板之間的絕緣體。富蘭克林進行了天電試驗——著名的“風箏”實驗。根據(jù)天電和地電的統(tǒng)一性，富蘭克林想到利用尖端放電原理將天空的雷電引入地面，以避免建筑物遭雷擊。所以，富蘭克林制成了世界上第一根避雷針。這是用絕緣支架固定在屋頂上的一根豎直的金屬棒，在棒上栓一根直通地下的金屬導(dǎo)線。富蘭克林第一個指出:經(jīng)過絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電荷，用毛皮擦過的硬橡膠棒帶負電荷。正確解釋摩擦起電現(xiàn)象：物體在未經(jīng)摩擦前，處于電平衡狀態(tài)，物體既不多余電荷，也不缺少電荷：經(jīng)摩擦之后，電荷在相互摩擦的物體之間進行重新分配，當物體多余出電荷時，該物體就表現(xiàn)為帶正電狀態(tài)，另一物體由于缺少電荷就顯出帶負電狀態(tài)。物體帶電是由于多余或缺少電子的緣故，正電恰好意味著電子的缺失，負電才是電子的多余。庫侖定律：電的的引力或斥力與兩個小球上的電荷之積成正比，與兩個小球球心之間的距離的平方成反比。解剖學(xué)家教授伽伐尼，成了世界上第一個發(fā)現(xiàn)電荷流動——電流現(xiàn)象的人。伏打繼續(xù)用各種金屬做實驗，發(fā)現(xiàn)不同種類的金屬同時接觸電解質(zhì)溶液時都會產(chǎn)生電位差和引起電流，在蛙腿顫動的實驗中，蛙腿內(nèi)部的體液就是一種能導(dǎo)電的電解質(zhì)。根據(jù)大量的實驗結(jié)果，伏打得出了著名的伏打序列：鋅、錫、鉛、銅、銀、金…他發(fā)現(xiàn)，只要將這個序列里前面的金屬與后面的金屬相接觸，前者就帶正電，后者帶負電，在序列中，兩種金屬的距離越遠，帶電量越多。伏打成功創(chuàng)造了歷史上第一個電池，“伏打電池”。他用很多銅片和鋅片分別連接起來，分別成為電池的正、負兩個電極。奧斯特發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁的現(xiàn)象，即電流的磁效應(yīng)現(xiàn)象。通電導(dǎo)線周圍確確實實出現(xiàn)了磁場。安培提出磁針轉(zhuǎn)動方向與電流方向之間關(guān)系的右手定則。安培進一步提出了分子電流假說。他認為，物體內(nèi)部的每一個分子中都帶有回旋電流，因而構(gòu)成了物體的宏觀磁性?；瘜W(xué)家戴維發(fā)現(xiàn)：凡是在鐵和鋼塊外面繞上通電的金屬導(dǎo)線時，該鐵塊或鋼塊就變成了磁鐵。于是人造磁鐵——電磁鐵出現(xiàn)了。歐姆定律：通過導(dǎo)體的電流與電勢差成正比，與電阻成反比。電流對磁鐵的作用力本質(zhì)上是圓形的。法拉第發(fā)現(xiàn)：只有當導(dǎo)線在磁場里作切割磁力線的運動時，線圈中才有感應(yīng)電流產(chǎn)生。線圈切割磁力線實際上就是線圈中央空間內(nèi)的磁場發(fā)生了變化，因為線圈內(nèi)磁力線數(shù)目的多少就代表磁場的強弱。因此可以說:只要導(dǎo)線線圈內(nèi)的磁場發(fā)生變化時，線圈兩端就會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，從而產(chǎn)生了感應(yīng)電流。線圈導(dǎo)線切割磁力線的速度越快，即線圈在磁場中運動的速度越快，所產(chǎn)生的電流就是越大。法拉第發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象。還創(chuàng)造了“場”和“力線”的概念。把摸不著、看不見的介質(zhì)稱作“場”。電流的大小與所切割的磁力線數(shù)成正比。動力世界人們建立了產(chǎn)生、利用和傳輸電的系統(tǒng)，包括發(fā)電、輸電、配電和用電的各個環(huán)節(jié)，即發(fā)電機、輸配電網(wǎng)絡(luò)、照明電燈和電動機，我們稱之為動力系統(tǒng)。實際中電動機先出現(xiàn)。電動機是動力系統(tǒng)的一個重要的用電環(huán)節(jié)，也叫驅(qū)動裝置。愛迪生在研制電燈的過程中，發(fā)現(xiàn)通電的燈絲與燈泡內(nèi)的金屬板之間有電流流過，即愛迪生效應(yīng)。利用愛迪生效應(yīng)，物理學(xué)家弗萊明發(fā)明了電子二極管，電子管的出現(xiàn)引致了電子信息技術(shù)的革命。交流電動機起源于旋轉(zhuǎn)磁場的發(fā)現(xiàn)。變壓器所通的電流必須是交變電流。直流電在傳輸?shù)倪^程中損耗嚴重，在遠距離傳輸中存在致命缺陷：為了減少路耗，必須提高輸電電壓。使用三相交流電實現(xiàn)遠距離輸電之后，電力的優(yōu)越性被充分展示出來：第一，電力可以大規(guī)模集中生產(chǎn)，然后通過高壓線傳送到一切需要電的地方。第二，電能可以轉(zhuǎn)化為各種各樣的能量形式，以滿足生產(chǎn)和生活各方面的需要。第三，電能轉(zhuǎn)化為其他能量形式時，轉(zhuǎn)化效率高，易于管理和控制。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波。赫茲驗證了電磁波的存在。赫茲計算出不同波長的電磁波的傳播速度都等于光速。光在本質(zhì)上是電磁波。電解定律預(yù)示了電子的存在。電解定律得出下述兩個結(jié)論：第一，電解分離出一價元素的一個原子所需要的電量是最小的電量，以q為符號代表電量的最小值。第二，電解分離出n個化合價的元素的每一個原子所需要的電量都是q的n倍，其中整數(shù)n就是該元素的化合價。湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。電子所帶的電量是最小的，物體之所以帶電是因為該物體的原子得到或失去電子的結(jié)果，于是，所帶的總電量一定是電子所帶的電量的n倍。電子的定向運動產(chǎn)生電流。良好的導(dǎo)電物質(zhì)往往是良好的導(dǎo)熱物質(zhì)。光現(xiàn)象的電本質(zhì)：光是原子中的電子在各層軌道之間跳躍的產(chǎn)物。電子的跳躍產(chǎn)生了光。磁起源于電子的旋轉(zhuǎn)運動。標志著電子信息世界前進步伐的關(guān)鍵器件是：電子管，晶體管，集成電路。信息世界分為三大領(lǐng)域：通信、計算機、控制。所謂通信，就是在不同的地點或人之間傳遞消息。通信分為有線通信和無線通信。有線通信又分為：電報、電話、傳真。無線通信又分為：無線電報、廣播、電視、移動電話。計算機有:機械計算機、電動計算機、電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機、大規(guī)模集成電路計算機、個人計算機?？刂凭褪亲詣涌刂疲窃跊]有人直接參與的情況下，利用設(shè)計好的控制裝置，自動地操縱機器設(shè)備或生產(chǎn)過程，使設(shè)備或過程猶如人們期望的方式運行。所謂反饋，就是把控制系統(tǒng)的實際輸出反送回到輸入端，與給定的理想值進行比較，從而產(chǎn)生偏差量，再根據(jù)偏差量的大小調(diào)整控制系統(tǒng)的輸出，最終使得系統(tǒng)的實際輸出量等于給定的理想值，消除偏差。穩(wěn)定是控制系統(tǒng)正常工作的前提。經(jīng)典控制理論的研究對象是單輸入單輸出的線性定常的系統(tǒng)。電類專業(yè)指引圍繞著電作為能源和作為信息載體這兩大用途，電氣化世界分為動力和信息兩大領(lǐng)域。動力領(lǐng)域的主要研究對象是電能，研究電能的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和利用。圍繞電能的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和利用中的不同環(huán)節(jié)的對象，動力領(lǐng)域分為熱能與動力工程、電力系統(tǒng)及其自動化、新能源及其利用三個專業(yè)。信息領(lǐng)域的主要研究對象是電信息，研究如何利用電來傳輸和處理信息。根據(jù)研究的具體對象不同，它又分為電子信息工程、自動控制、計算機科學(xué)與技術(shù)三個專業(yè)。所有電類專業(yè)的公共點在于：研究電和利用電。研究電的理論基礎(chǔ)是：物理學(xué)中的電學(xué)和磁學(xué)。利用電的專業(yè)基礎(chǔ)是：電工理論，包括電路理論和電磁場理論。電類專業(yè)的動力領(lǐng)域主要研究的是：電作為能源，如何方便、高效地為人類提供動力。動力領(lǐng)域包括熱能與動力工程、電氣工程及其自動化、新能源及其利用三個專業(yè)。熱能與動力工程是研究發(fā)電技術(shù)的專業(yè)，主要研究火力發(fā)電和水力發(fā)電技術(shù)。電氣工程及其自動化是研究電能的利用、各類電氣設(shè)備的研制、并利用電氣技術(shù)不斷完善電氣系統(tǒng)的一門學(xué)科，國內(nèi)的電氣工程及其自動化專業(yè)主演研究電力系統(tǒng)的自動控制技術(shù)及其安全運行問題。由發(fā)電、送電、變電、配電和用電五個環(huán)節(jié)組成的整體就叫電力系統(tǒng)。電氣工程及其自動化專業(yè)與熱能與動力工程專業(yè)是有實質(zhì)性區(qū)別的：熱能與動力工程研究的是其他能源轉(zhuǎn)換成為電能的過程及相關(guān)設(shè)備，電氣工程及其自動化研究的是電能的傳輸和利用。電氣工程及其自動化專業(yè)的主要研究內(nèi)容包括兩個方面：一是電能的傳輸與利用過程所需要的電氣設(shè)備的設(shè)計與制造；二是電力系統(tǒng)的運行與管理。新能源及其利用是研究自然界中的風能、太陽能、地熱能、生物能、核聚變能和海洋能等新的能演形式，并對其進行合理利用的技術(shù)。核能從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，它是經(jīng)過由重核裂變能→熱能→機械能→電能的轉(zhuǎn)換過程。電類專業(yè)的信息領(lǐng)域主要研究的是：電作為傳遞信息的載體，如何方便、高效地傳遞文字、聲音、圖像和數(shù)據(jù)等各式各樣的信息。信息領(lǐng)域包括電子信息工程、自動控制、計算機科學(xué)與技術(shù)三個專業(yè)。電子信息工程是研究利用電子進行信息的記錄和傳遞的專業(yè)。電子信息系統(tǒng)包括：電報系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、多媒體通信系統(tǒng)。自動控制技術(shù)用于研制各類自動控制系統(tǒng)，以便代替人類進行各類復(fù)雜或繁重甚至危險的工作。控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，這兩類控制理論分別適用于分析和設(shè)計不同類型的控制系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論采用的是試探法。計算機科學(xué)與技術(shù)研究的是具有各類功能的計算機，用于代替人類進行各類復(fù)雜、快速的運算和推理。計算機最基本的功能是計算和推理。計算機主要包括五大部分：運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置，其中運算器和控制器已經(jīng)集成為中央處理器，即CPU芯片。專業(yè)選擇與專業(yè)人生定位選擇適合自己的專業(yè)的原則是順從自己的興趣愛好和特長。需要提早確定職業(yè)目標的原因是:第一，不同的就業(yè)方向，所需要的知識是不一樣的。第二，不同的職業(yè)目標所需要的各類知識的深度和廣度不一樣，職位越高，需要的知識面越寬，也需要對某一類的知識把握得很好。如何打造專業(yè)基礎(chǔ)：首先，根據(jù)自己的職業(yè)目標，確定這一職業(yè)目標所需要的基礎(chǔ)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程。其次，在確定了所有的基礎(chǔ)課程之后，務(wù)必對基礎(chǔ)課程反復(fù)研讀，以求全面掌握。再次，在實踐中不斷鞏固基礎(chǔ)。所有基礎(chǔ)知識，只有到了用的時候，才真正體會到它的重要和它對于實際工作的影響。專業(yè)技能就是具體從事專業(yè)工作需要的工具性知識，也稱為專業(yè)工具。成功的專業(yè)人生公式是：強烈的愿望+恰當?shù)囊I(lǐng)+有力的行動→輝煌的專業(yè)成就。課程名稱：電氣工程學(xué)科概論電學(xué)的起源：掌握電學(xué)發(fā)展歷程中的六件重要事件一、摩擦起電公元前585年，泰利斯發(fā)現(xiàn)摩擦起電(電=磁)1600年，吉爾伯特指出電磁之間差別，并定義“電體”與“非電體”(電≠磁)1660年，葛利克制成摩擦起電機并觀察到帶電體的放電現(xiàn)象1709年，霍克斯貝改進摩擦起電機二、萊頓蓄電瓶的發(fā)明1745年，荷蘭萊頓居民卡那阿斯發(fā)現(xiàn)盛水的大玻璃瓶能蓄電。大學(xué)教授馬森布羅克做實驗證實——萊頓蓄電瓶出現(xiàn)。法國科學(xué)家諾萊特等人改進萊頓蓄電瓶。萊頓瓶的實質(zhì)——電容器。三、征服雷電1752年7月，富蘭克林進行風箏實驗——揭示閃電本質(zhì)1753年，富蘭克林發(fā)明避雷針——雷電被征服富蘭克林利用天電充電進行大量實驗，解釋物體帶電原因，并提出電荷概念四、電流的發(fā)現(xiàn)18世紀70年代，卡文迪什提出電荷力與電荷間的距離的平方成反比，并提出靜電電容、電容率、電勢等概念。1785年，庫侖提出庫侖定律，并做實驗證明——電學(xué)進入定量計算和精密測量階段1780年，伽伐尼發(fā)現(xiàn)電流——電學(xué)從靜電研究到電流研究1800年，伏打發(fā)明伏打電池五、電產(chǎn)生磁1820年4月，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁現(xiàn)象1820年底，安培提出安培定律，規(guī)定電流方向，并提出分子電流假說1826年，歐姆提出歐姆定律六、轉(zhuǎn)磁為電在經(jīng)歷的無數(shù)次失敗后，法拉第終于在1831年11月提出電磁感應(yīng)定律。自此，人們打開電力世界的大門，大規(guī)模的實際應(yīng)用成為可能。此后，法拉第還發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象，提出場和力線的概念，預(yù)言電磁波的存在……電氣化世界建立的基礎(chǔ)標志：轉(zhuǎn)磁為電成功七、拉開電氣化世界的帷幕1878年，莫爾建立起第一條有線電報線——揭開近代通信的序幕1879年，愛迪生創(chuàng)造白熾燈成功——世界開始享受光明1895年，馬可尼實現(xiàn)了無線電通信——揭開無線電通信的帷幕1928年，茲沃里金研制電子顯像管成功——電視成為大眾娛樂中心和傳播媒介1945年，莫克萊研制計算機成功。動力系統(tǒng)構(gòu)成12發(fā)電，輸電、配電，用電；關(guān)鍵技術(shù)：1電動機和發(fā)電機：電動機理論基礎(chǔ)：電流磁效應(yīng)、安培定律。發(fā)電機理論基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)定律。由于直流電機成本昂貴、常出事故，而交流電可以隨意變壓、靈活使用，人們開始研究交流電機。1891年后，三相制交流電推廣，交流電機開始廣泛使用。2照明電燈和輸配電網(wǎng)絡(luò)1809年，戴維發(fā)明弧光燈（光線強，成本高，不適合家庭使用）1854年，戈貝爾制成白熾燈，但是壽命不長。1879年，愛迪生發(fā)現(xiàn)碳化后竹子纖維適合作為白熾燈燈絲，開始大批量生產(chǎn)白熾燈。1879年，愛迪生在紐約建成當時最大規(guī)模的輸配電網(wǎng)絡(luò)輸配電網(wǎng)絡(luò)的建立促使與之相關(guān)的行業(yè)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，從此電力行業(yè)迅速發(fā)展3交流發(fā)電站與遠距離輸電1882年，德波里建成第一條遠距離直流輸電線路。旋轉(zhuǎn)磁場的發(fā)現(xiàn)使交流電機的發(fā)明成為可能。自感現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使變壓器的制造成為可能。1891年，第一條三相交流輸電系統(tǒng)建成，并運行成功，效果良好。電力的優(yōu)越性：可集中生產(chǎn)，方便傳輸；能量轉(zhuǎn)化靈活；易于管理和控制信息系統(tǒng)的構(gòu)成法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后三十年：19世紀60年代，麥克斯韋創(chuàng)立電磁學(xué)理論，麥克斯韋電磁場理論為無線電子學(xué)奠定基礎(chǔ)，對電學(xué)的發(fā)展具有深遠意義。1887年，赫茲用實驗驗證了電磁波的存在。構(gòu)成：信源，信道，信宿信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)通信，計算機，控制三大技術(shù)1868年，麥克斯韋發(fā)表“論調(diào)速器”，標志著自動控制理論的誕生。以控制技術(shù)為支撐，計算機技術(shù)和通信技術(shù)的融合，人類進入信息社會的新時代。電類專業(yè)的分支及其聯(lián)系14圍繞著電作為能源和信息載體這兩大用途，電類專業(yè)可以劃分為動力和信息兩大領(lǐng)域。聯(lián)系：動力領(lǐng)域主要研究對象是電能，研究電能的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和利用，電類專業(yè)的動力領(lǐng)域主要研究的是：電作為能源，如何方便、高效地為人類提供動力。信息領(lǐng)域的主要研究對象是電信息，研究如何利用電來傳輸和處理信息，主要研究的是：電作為傳遞信息的載體，如何方便、高效地傳遞文字、聲音、圖像和數(shù)據(jù)等各式各樣的信息。所有電類專業(yè)的共同點在于：研究電和利用電。為了能夠研究電和利用電，電類的所有專業(yè)都需要習(xí)和掌握如下的課程：◆理論基礎(chǔ)：高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)◆專業(yè)基礎(chǔ)：電路理論和電磁場理論。電氣工程專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)14專業(yè)定位的原則與方法12每個人應(yīng)該按照自己的心愿，根據(jù)自己的興趣愛好和特長，根據(jù)自己的綜合素質(zhì)，選擇合適自己的專業(yè)，確定自己所在領(lǐng)域的職業(yè)目標。方法：適合自己的專業(yè)才是最好的專業(yè)！在選擇專業(yè)的時候，可以通過非專業(yè)途徑和專業(yè)途徑了解自己應(yīng)該尋找足夠的證據(jù)，證實自己的興趣愛好和特長到底在于什么方面。此外，還應(yīng)該詳細了解和自己興趣愛好和特長相關(guān)的專業(yè)，在了解自己的天賦之后，需要證實自己是否真正喜歡某個專業(yè)，并對這個專業(yè)是否具有較好的領(lǐng)悟能力，具體做法是：根據(jù)自己的天賦，確定一些備選的專業(yè)，然后詳細了解備選專業(yè)的情況。★首先，必須根據(jù)自己的職業(yè)目標打造專業(yè)的基礎(chǔ)，相當于打造“專業(yè)大廈”的基礎(chǔ)。★然后，在基礎(chǔ)知識和專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的職業(yè)方向?qū)W習(xí)一個專業(yè)的專業(yè)知識，這相當于構(gòu)建“專業(yè)大廈”的框架?！镒詈螅鶕?jù)自己的職業(yè)方向和個性特點學(xué)習(xí)和訓(xùn)練自己的專業(yè)技能，這相當于在“專業(yè)大廈”樓層里規(guī)劃和間隔房間并進行裝修選擇適合自己的專業(yè) ◆建設(shè)專業(yè)大廈◆打造專業(yè)基礎(chǔ)◆構(gòu)建專業(yè)框架