电工科技简史

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1、前言电磁现象的发现和电池的发明近代电磁研究的发端电池的发明电磁感应定律和早期的电机法拉第的工作早期的电机电报和电话的发明莫尔斯电报和大西洋海底电缆 电话的发明电照明和电机的发展白炽灯电机的改进与交流电系统发电厂和电力传输电厂出现电力传输电工理论的形成与发展电路理论 电磁场理论 电工科技的现状与展望刖有电能的工业应用大约起始于 19世纪中后期，至今有一百多年的历史。它给人类社会的 许多方面带来了巨大而深刻的影响。从广义上说，电工科学技术是与研究电磁现象的应用有关的基础科学、技术学科及工程技术的综合。这包括电磁形式的能量，信息的产生、传输、控制、处理、测量，有关的系统运 行，设备制造技术等多方面的

2、内容。19世纪末，电工技术已形成了电力和电信两大分支。进入20世纪以后，电工科技的发展更为迅速，应用电磁现象的技术门类日益增多，发展和 形成了许多独立的学科，如无线电技术、电子技术、自动控制技术等等。电工科技通常主要 是指电力工程及其设备制造的科学技术。电工科学技术所依据的基本原理大都是由物理学、数学等纯科学中提出来的。依据基本原理，结合技术、工艺、经济等各方面的条件，研究可供应用的电工技术，制造出适应各种需 要的电工产品，就是电工科技的主要领域。与电工技术直接有关的部门已形成庞大的工业体 系，有关的理论也有许多分支。电力工业与社会生产、公众生活、文化教育等各方面有着十分密切的关系，是现代社会

3、的重要支柱。电磁现象的发现和电池的发明人类从自然界的电闪雷鸣和天然磁石上开始注意到电磁现象中国古代（公元前1100前771）的青铜器 番生签”上就出现了 “字（见彩图番生篇铭文中的”?）。在希腊和中国的古 代文献中都有关于天然磁石吸铁和摩擦琥珀吸引细微物体的记载。在朝鲜乐浪郡的汉墓中出士的司南是最早应用电磁现象的实物（见彩图司南复原模型）。司南由一个用天然磁石凿成的勺和一个铜制的方盘组成，盘的中央光滑，四周有表示方向的刻度。 使用时掷勺于盘上，勺停止转动时，柄就指向南方。唐朝（618907）的指南仪器有了改进，武经总要书中记载有将军用指南鱼宋朝的科学家沈括在他所著的梦溪笔谈中详细介绍了制作人造

4、磁针的方法，当时指南针已被广泛应用。近代电磁研究的发端 公元16世纪，欧洲对电磁现象的研究渐多。英国W.吉伯提出，磁针指南是由于地球本身是一个大磁体他又由希腊文琥珀”（11701）创造了英文的 电”字（electrum）。1644年中国的刘献廷在广阳杂记中记录了磁屏蔽现象（见彩图广阳杂记中关于磁屏蔽的记载）。1729年英国S.格雷区分材料为两类 一导体和绝缘体。1733年 法国C.F.迪费发现摩擦玻璃棒和胶木棒时，二者所带电荷性质不同，同性相斥，异性相吸。 1745年荷兰莱顿大学教师P.van穆申布鲁克与德国的 E.G.von克莱斯特分别发明了最早的电容器一莱顿瓶。俄国.里赫曼发明了验电器。1

5、752年美国B.富兰克林进行了风筝实验， 认识到自然界的雷闪与莱顿瓶的放电都是放电现象。富兰克林还发明了避雷针，这是静电现象早期的应用。1758年俄国艾皮努斯提出电荷守恒原理，并发现介质极化作用。1775年意大利 A.G.A.A. 伏打发明静电起电盘。他在1778年又论述了导体容纳电荷的能力，提出了电容的概念。静电学定律1766年英国J.普里斯特利根据富兰克林向他提出的空心导体带电仅在外表面的现象，推测静电作用力与万有引力相似，与距离的平方成反比 17851789年，法国C.-A. 库仑设计并进行了著名的静电扭秤实验，建立了静电作用力的平方反比定律，即今所称的库仑定律。后来他又将这一定律应用到

6、磁极间的作用力。当时对万有引力已有较多的认识。P.S.拉普拉斯在1782年就提出了有关万有引力的空间分布的拉普拉斯方程。1828年法国S.D.泊松根据库仑定律，仿照引力理论的方法，将拉普拉斯方程推广应用于静电场，并提出静电场的泊松方程。德国 C.F.高斯提出了数学上的高斯定理（散度定理） ，1813年将之应用于静电 场，得出静电场的高斯定理。图1库仑的扭秤实验装置电与磁的联系1820年丹麦H.C.奥斯特注意到，当发生雷闪时附近的磁针发生抖动，他猜想这是雷闪放电时电流的作用。经过反复实验，他观察到在载流导线附近的磁针发生偏转，这表明电流有磁效应。法国A.-M.安培高度评价奥斯特的发现，认为这揭示

7、了磁性来源于电 流，由此他提出分子电流”的概念来解释永久磁铁的磁性。他精心设计了一系列实验，并得出了确定载流导线中的电流相互作用力的大小和方向的法则。他又根据电流元产生的磁场性质提出了 磁通连续T定理；1825年又提出了著名的 安培环路定律。与安培同时，法国 J. 毕奥和F.萨伐尔重复验证了奥斯特的实验，研究电流的磁场作用于磁针两端上的力的大小和 方向，导出了相应的公式，后来人们称之为毕奥-萨伐尔定律。拉普拉斯证明，这个公式应用于闭合电流回路，与用安培环路定律得出的结果是相同的。图 2奥斯特发现电流的磁 效应德国J.S.C.施魏格尔根据奥斯特的发现，在多匝线圈中放置磁针，制成了最早的电流检测装

8、置，称为倍增器（1820）。奥斯特的发现及安培的工作还引起英国科学家M.法拉第的注意。1821年他设计了一个水银杯实验，首次展示了由 电磁力产生不间断的机械运动。1821年德国T.J.塞贝克发现，由两种不同金属联接成的回路，当两个接点的温度不同时，回路中便出 现 电流，存在着温差电动势。这种装置称为温差电偶。图3 法拉第的水银杯实验1826年德国G.S.欧姆深入研究了导线传送电流的能力。他用铜、州温差电偶产生的稳定 电动势向导线回路供给电流，试验了多种材料对电流通过具有的阻力，并称之为电阻。1826年他发表了著名的定律：在恒定温度下，导线回路中的电流等于回路中的电动势与电阻之比。 欧姆又将这一

9、定律推广于任意一段导线上，并得出导线中的电流等于这一段导线上的电压与电阻之比。这两条定律人们都称之为欧姆定律。1840年J.P.焦耳对电流经过导线电阻产生的热进行了实验测定。这一热量正比于电阻与电流平方的乘积，这就是著名的焦耳定律。电池的发明1780年意大利生物学家 L.伽伐尼发现，在解剖青蛙的过程中，当金属器械触及蛙体神经而附近又有雷电时，蛙腿肌肉发生剧烈收缩。人们称这一现象为伽伐尼效应。 伏打对这个效应进行了研究，并为此研制了灵敏的电位计。随后他发现了不同金属间的接触电动势，提出了不同金属的起电次序：锌-铅-锡-铁-铜。两种金属接触时，次序在前的金属带正电，在后的带负电。图 4伏打发明的电

10、堆1800年伏打创制了最早的化学电池 ，人们称之为 伏打电堆”。这 电池由许多单元堆叠成柱 状每一单元由铜片和锌片以及中间所置用酸性溶液浸湿的布片构成。伏打电堆可以引起持续的电流，为此后研究电流的作用提供了电源。1802年俄国.彼得罗夫用伏打电堆研究放电现象，发现了电弧。他指出电弧的发光和产生 的高温将在照明和加热中得到应用。英国H.戴维也独立地发现了电弧，并进行了电解的研究。这些研究和应用，对促进以后电能应用的发展，起了重要的作用。 电磁感应定律和早期的电机法拉第的工作 1831年法拉第发表了著名的电磁感应定律：一个线圈中产生的感应电流与线圈在单位时间所割切的磁力线多少成正比，与线圈导线的电

11、阻成反比。这一定律将磁的现象与电的现象联系起来。这不仅有着重要的理论意义，而且提供了广阔的实用前景。1834年俄国.楞次提出感应电流方向的定律：感应电流的方向在于沿该方向的电流所产生的磁通趋于阻碍磁通的变化。法拉第在1834年发表了电解定律：电解中析出物质的量与所通过的电量成正比，也与析 出物质的化学当量成正比。这成为以后电解、 电镀等应用的理论依据，而且是对元素性质与电荷的关系在认识上的一大进步。早期的电机 法拉第根据 电磁感应定律，在1831年制出圆盘 发电机，将驱动圆盘用的 机械能转变成电能。这是第一架电磁式发电机。它意味着可以通过水轮机用水能或蒸汽机用 热能做功获得电能，以代替昂贵的伏

12、打电堆。这立即引起人们的极大关注。几个月以后，意大利教授S.S.内格罗制成一台往复式发电机模型。1832年法国巴黎的一位仪表师 A.H.皮克西也制成一台发电机模型，用旋转的线圈代替法拉第圆盘，发出交流电。次年他在电机轴上加装了金属换向片引出直流电。图5法拉第的圆盘发电机电机的励磁 1851年德国科学家 W.J.辛斯特登提出了励磁方案，用通电流的线圈代替永 久磁铁。这是励磁方式的第一次改进。1854年丹麦科学家S.约尔特设计和制成自激发电机，这是电机励磁方式和结构上的又一次重大发展。1866年前后，英国工程师 S.A.瓦利、C.惠斯通和德国电气工程师E.W.von西门子等人相继独立制成了自激发电

13、机。惠斯通采用并激励磁，西门子采用串激励磁。当时制作出的电机普遍有电流不稳的缺点。直到1870年，在巴黎的比利时发明家 Z.T.格拉姆对意大利物理学家 A.帕奇诺蒂在1859年研制的环形电枢 发电机模型作了改进，他用叠片式环形电枢在上下两个磁极间旋转，并采用金属换向器。 这一电机电流较为稳定，取得了专利，先后在巴黎和维也纳展出，受到人们重视。这个发电机虽然效率还不高，但能提供较高的 电压，发出较大的功率（最大达100千瓦），具有一定的实用 价值。至此，电流的产生不再依赖实验装置，而有结构可靠、由原动机驱动、可以产生大电 流的发电机可用了。早期的实用电机1873年德国工程师 F.赫夫纳一阿尔滕内

14、克设计了一种鼓形电枢，简化了电机的结构，减少了铜线用量，降低了成本，造出了容量大、效率高、更具有推广价值的发电机。此后，又经美国 H.S.马克西姆等人改进电枢，采用了磁场补偿线圈与换向极，直流电机在1880年便具有了现代电机的基本结构。18231825年，英国人P.巴洛、斯特金和美国J.亨利分别制作了电磁铁，证实了电磁作用可以产生吸引力。T.达文波特在亨利的支持下于1834年制造了一台 直流电动机，并于次年用它驱动一辆小车。1838年在俄国彼得堡，.雅科比根据法拉第的理论独立地设计制作了 一台电动机，并用它驱动一条小船在涅瓦河上航行了一段，初步显示了电动机的实用性。19世纪80年代以前，人们从

15、电池得到直流电，因此各国科学家大多致力于直流电机的研制， 并有一些直流发电机开始投入运行，导致公用供电系统的出现。1874年俄国.皮罗茨基进行了 3.6公里的直流输电试验，发现电压降落和电能损耗太大，难以推广应用1880和1881年，俄国.拉契诺夫和法国M.德普勒分别提出用高压直流电输电以减少损耗。试验结果表明，当时产生高压直流电有困难，而且用户使用也有不便，于是人们转而研究发展交流电，这就促进了交流电技术的发展。 电报和电话的发明早在1804年西班牙工程师 D.F.萨尔瓦就研究用导线传送电流和信息。随后进行这一研 究的也不少，但都未达到实际应用的水平。直到1837年，英国 W.F.库克和惠斯通制成了双针式电报接收机，并用于利物浦的铁路线上。1839年雅可比发明了电磁式电报记录仪，提高了收报的可靠性。同年德国西门子取得他制作的电报机的专利。莫尔斯电报和大西洋海底电缆1838年美国S.F.B.莫尔斯发明了以点划组成的电码代表不同的字母或信息，即沿用至今的莫尔斯电码。他研究了当时各种电报机的优缺点之后，又采用了亨利1835年发明的 继电器以驱动纸带并记录所接收的信号，完成了商用电报机。 1844年由美国政府资助建成从华盛顿到巴尔的摩的电报线路，正式提供商用通报。此后欧 洲各国也陆续采用莫尔斯电