電氣工程技術與學科發展的歷史及展望

　　摘要：梳理了電氣工程技術從電磁學理論的建立到新技術革命時期電氣工程技術的進步這樣一個發展脈絡，介紹了電氣學科的形成與發展，並分析了電氣工程技術的發展趨勢。

　　關鍵詞：電氣工程技術;電氣學科;發展史

　　一、電氣工程技術的發展史

　　電氣工程***Electrical Engineering***是現代科技領域核心學科之一，傳統的電氣工程定義為用於創造產生電氣與電子系統的有關學科的總和。21世紀的電氣工程概念已經遠遠超出這一範疇，如今電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關的工程行為。電氣工程的發展程度直接體現了國家的科技進步水平，因此，電氣工程的教育和科研在發達國家大學中始終佔據重要地位。

　　1.電磁學理論的建立及通訊技術的發展

　　大自然中的雷電使人類對電有了最早、最樸素的認識，天然磁石吸鐵是人類對磁現象的最早觀察，然而，人類對電磁現象的研究始於16世紀的英國，1663年德國科學家蓋利克發明了摩擦起電的儀器，1729年英國科學家發現電荷可以通過金屬傳導等等，這是人類對電的早期實驗，之後又出現了一系列具有里程碑意義的發現與發明。

　　***1***庫侖定律。1785年法國物理學家庫侖通過扭秤測量靜電力和磁力總結出：兩個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。這一發現的歷史意義在於它標誌著人類對電磁現象的研究從定性階段進入了定量階段。

　　***2***“伏打電池”。1799年義大利物理學家伏特經過反覆實驗發現把任何潮溼物體放到兩個不同金屬之間都會產生電流，一年後伏特發明了世界上第一個電池，自此人類對電的研究由靜電擴大到了動電，開闢了電學研究的新領域。

　　***3***奧斯特發現電流的磁效應和安培右手定則。1820年奧斯特偶然發現通電鉑絲周圍的小磁針發生輕微晃動，之後他經過反覆實驗證實了這一發現。其後安培進行了更深入的研究，提出了右手定則，發現了電流方向與磁針轉動方向之間的關係。安培還通過實驗發現了兩個通電導體和兩個通電線圈之間相互作用的規律，從而奠定了電動力學的基礎。

　　***4***法拉第發現電磁感應。英國科學家法拉第是第一個成功完成磁生電實驗的人，並歸納出產生感應電流的五種情況：一是變化著的電流;二是變化著的磁場;三是運動的穩定電流;四是運動的磁場;五是在磁場中運動的電線。法拉第把這一現象叫做“電磁感應”。電磁感應的發現使生產電成為可能，至今，發電機、電動機、變壓器都是運用電磁感應原理工作的。

　　***5***麥克斯韋建立電磁場理論。英國數學家、物理學家麥克斯韋總結了前人的一系列成果，用數學方程式表示電磁場，建立了完整的電磁理論體系，揭示了光、電、磁本質上的統一，並預言了電磁波的存在。1873年他出版的電磁場理論經典著作《電磁學通論》是里程碑式的自然科學理論鉅著。

　　任何科學發明與發現都是許許多多的科學家不懈努力的成果，德國物理學家歐姆、高斯、赫茲，美國物理學家亨利，俄國物理學家楞次等等都為電磁理論的形成作出過貢獻，本文不在一一類舉。

　　電磁理論的建立為無線電通訊揭示的發展奠定了基礎，19世紀通訊技術取得了突破性成果，先後發明了有線電報、有線電話和無線通訊。

　　2.電工技術的初期發展

　　人類社會發展歷程中經歷了三次工業革命，對人類的進步起到了巨大的作用。第一次工業革命從18世紀中葉到19世紀中葉，以瓦特發明的蒸汽機為標誌，以機械化為特徵，中心在英國;第二次工業革命從19世紀後半期到20世紀中葉，以工業生產電氣化為主要標誌，其成果是電力、鋼鐵、化工“三大技術”與汽車、飛機和無線電通訊“三大文明”，其中心在美國和德國;第三次工業革命從20世紀中葉到21世紀初，以社會生產、生活資訊化為特點，又叫新技術革命。第二次工業革命就是從電工技術初創和應用開始的。

　　***1***直流發電機的誕生。1831年英國企業家研製出了史上第一臺發電機——蒸汽動力永磁發電機;1832年法國科學家匹克斯發明了世界上第一臺直流發動機;1866年西門子發明了自激式勵磁直流發電機;1870年格拉姆發明了實用自激直流發電機，結構可靠，電流穩定，輸出功率大，被各國廣泛採用作為照明燈電源。

　　***2***遠距離輸電和電力工業技術體系的初步建立。1875年法國巴黎火車站建成世界上最早的一座火力發電廠。愛迪生不僅發明了燈泡，他還在1882年建立了美國第一家直流發電廠，裝有6臺直流發電機，通過電纜輸送照明用電，不過當時的最大輸送距離只有1.6km。之後愛迪生還建立了一座水電站，形成了電力工業體系的雛形。

　　***3***交流發電機電荷電動機的誕生。1876～1878年俄國人亞布洛切科夫成功試驗了單相交流輸電技術。1885年，英國工程師菲爾安基設計的第一座交流單相發電站建成。同年，美國人威斯汀豪率領的團隊完成了交流發電、供電系統，並建立了交流配電網。1883年，美籍電氣工程師特斯拉發明了世界上第一臺感應電動機，5年後他又發明了兩相非同步電動機和交流電傳輸系統。1888年，俄國工程師德布羅夫斯基和德爾伏發明了三相交流制。1891年，德國安裝了世界上第一臺三相交流發電機，並建成了第一條三相交流輸電線路。自此，三相非同步電動機得到了廣泛應用，電能逐步取代了蒸汽成為動力源，電力工業得到了迅速發展。

　　3.電工理論的建立

　　***1***電路理論的建立。關於電路的早期研究有：1778年伏特提出了電容的概念，給出了導體上儲存電荷的計算方法Q=CU;1826年歐姆發表了歐姆定律;1831年法拉第提出了電磁感應定律;1832年亨利提出了磁通量計算公式。

　　1845年德國物理學家基爾霍夫提出了關於任意電路中電流、電壓關係的基本定律：電流定律***任意時刻電路中任何一個節點的各條支路電流的代數和為零***;電壓定律***任何時刻電路中任意一個閉合迴路的各元件電壓的代數和為零***。這兩個定律發展了歐姆定律，奠定了電路系統分析的基礎。

　　1853年英國物理學家湯姆遜推匯出了電路震盪方程，並得出了萊頓瓶發電過程中電流在反覆震盪且不斷衰減的結論，並計算出震盪頻率與R、L、C引數之間的關係，奠定了動態電路分析的基礎。1855年，湯姆遜還建立了長距離電纜的等效電路模型。

　　1893年美籍電氣學家施泰因梅茨提出了計算交流電路的方法——“相量法”，其實用、易懂，至今在分析正弦交流電路時依然沿用此法。

　　其間，赫爾姆霍茲提出的等效發電機原理、基爾霍夫建立的長距離架空線路釋出引數電路模型、亥維賽德找出的求解電路暫態過程運演算法、傅立葉用數學方法建立的熱傳導定律等等都對電工理論的豐富和完善起到了重要作用。

　　***2***電網路理論的建立。通訊技術的興起推動了電網路理論的發展。1924年，福斯特給出了電感和電容二端網路的電抗定理，建立了由給定頻率特性設計電路的電網路理論。

　　1945年美國科學家伯德總結出了分析線性電路和控制系統的頻域分析方法。1953年梅森建立了採用訊號流圖分析複雜回饋系統的方法，並被廣泛應用。20世界50年代美國科學家達默製成了第一批積體電路，從此電路理論中增加了對含源器件的電路分析和綜合。20世紀70年代在L.O.Chua等科學家的努力下，器件建模理論逐漸日趨完善。20世紀中期計算機的出現使電網路的計算機輔助分析和設計成為電路理論研究中的基本手段。

　　4.新技術革命對電氣工程技術的推動

　　20世紀中葉開始的第三次技術革命又稱為新技術革命，以核能、宇航和電子計算機這三大技術為主要標誌。這個時期的主要理論是資訊理論、系統論和控制論，這三大理論的創立為通訊工程技術和現代科學技術的研究提供了全新的科學方法。

　　***1***計算機的升級換代對電氣工程技術的推動。自19世紀第一臺計算機問世以來，經過幾十年的發展，計算機給人類社會帶來了翻天覆地的變化，人類社會從此走進了資訊時代。1952年出世的第一代計算機使用的是真空電子管，不僅體積巨大，而且耗電量驚人。1959年～1963年生產的第二代計算機用電晶體替代了真空電子管，大大提高了運算速度，減少了耗電量，減小了體積，運用在了軍事和科研領域。1964年～1970年生產的第三代計算機用積體電路替代了電晶體，不僅極大地提高了運算速度而且降低了成本，計算機開始進入到了普及階段。1971年至今生產的第四代計算機使用了超大規模積體電路，實現了計算機網路化，計算機普及到了個人。計算機的升級換代推動了控制技術的發展，形成了計算機管理生產系統，提高了生產效率和產品質量。

　　***2***電子資訊科技的發展。電子資訊科技是計算機技術和電信技術相結合而形成的技術手段。20世紀通訊技術得到了迅猛發展，人類社會生活也由此發生了巨大變革，人類從此進入資訊時代。

　　1920年人們發現電離層對無線電短波有反射作用。1935年人們發現了雷達並廣泛應用於軍事和民用通訊領域。1964年美國發射了第一顆地球同步靜止軌道通訊衛星，突破了大氣層對無線電波的遮蔽，實現了宇宙範圍的無線電通訊。20世紀70年代計算機網路系統的建立使人們開始通過網際網路獲取資訊。20世紀80年代以後尋呼機和行動電話逐步得到廣泛使用，現今資訊服務業已成為世界上發展最快的新興行業之一。

　　電氣工程技術發展史再次印證了這樣兩個真理：一是任何理論的創立和技術的進步都要靠眾多科學家甚至一代代人的不懈努力而實現，特別是在學科相互融合交叉的今天。二是科學技術的每一次重大突破都會導致生產力的跨越式發展和人類社會的巨大進步，科技是第一生產力，創新是社會發展的推動力。

　　二、電氣學科的形成與發展

　　按我國高等教育學科劃分，電氣資訊學科類屬工學門類***門類編號08***，其下設五個一級學科：電氣工程***一級學科編號0808***、電子科學與技術***0809***、資訊與通訊工程***0810***、控制科學與工程***0811***和電腦科學與技術***0812***。這五個學科有著相同的學科基礎，都是研究電磁現象及其應用的基礎學科與技術工程的綜合，電能的突出優點在於：它既是易於傳輸的工業動力，又是非常可靠的資訊載體。電子科學與技術、資訊與通訊工程和電腦科學與技術都是從電類專業派生出來的弱電學科，在19世紀末電工科學技術已形成了電力與電信兩大分支。

　　我國電氣工程一級學科下設五個二級學科：電機與電器***二級學科編號080801***、電力系統及其自動化***080802***、高電壓與絕緣技術***080803***、電力電子與電力傳動***080804***、電工理論與新技術***080805***，電氣工程包含的專業基礎理論有電路原理、類比電子、數位電子、微機原理與介面技術、微控制器原理、自動控制原理、電磁理論、MATLAB模擬等。專業理論有電力系統及其暫態分析、電力電子、電機學、高電壓與絕緣、電力拖動、輸配電、工廠企業供電、電力市場等。

　　19世紀末歐美大學先後設立了電氣工程***Electrical Engineering***專業，100多年來，其名稱雖然沒變，但內涵已隨著科技的飛速發展有了非常大的變化。過去歐美的電氣工程專業是以電力工程為主，現在電子技術和計算機已成為該專業的核心，美國一些著名高校甚至已不開設電力工程研究方向。有些大學把計算機技術從電氣工程系分離了出去，單獨成立了計算機科學系。

　　我國的電氣工程始於1908年上海南洋公學的電機電工學科，就是上海交大的前身，距今也有100多年的歷史了。1917年該校的電機專科設立了電訊門，即我國最早的無線電專業，如今的電子資訊及計算機專業群都是由此發展演化而來的。1932年，清華大學設定了電機系。建國後，我國建立了一大批以工科為主的多科性大學，其中大多設立了電機工程系。1977年以後，大部分高校的“電機工程系”陸續更名為“電氣工程系”，近幾年來，部分高校又把“電氣工程系”發展成為“電氣工程學院”。我國的電氣工程雖然與國外名稱相同，但內涵有很大區別，我國大學一般都是強弱電分開，即電氣類與電信類分設在不同的學院。

　　100多年以來，電氣工程學科已發展成為覆蓋多門類交叉學科、應用領域廣闊的完善的學科，形成了強弱電結合、軟硬體結合、機電結合的學科特點。

　　國外發達國家電氣工程學科的發展呈現以下趨勢：

　　***1***在學科中融入大量資訊科技知識。在全球資訊化的當今，資訊科技以指數速度進步，它曾對電氣工程學科的發展起到了巨大的推動作用，還將為電氣工程領域的技術創新提供工具與技術支援，對電氣學科的發展產生了決定性作用。國外發達國家的著名大學***如耶魯大學、麻省理工學院等***大都把電氣工程、通訊工程、計算機工程放在同一學院，以利於在電氣工程學科中融入大量的資訊科技知識。

　　***2***與其他學科不斷交叉融合，拓展了研究領域，大量的研究都是在跨學科領域開展的。

　　***3***與企業聯絡密切，科技成果轉換能力強，引領產業技術更新。

　　三、電氣技術的發展趨勢

　　與電氣工程學科相關的產業主要有電力工業、電氣裝備製造業以及幾乎所有使用電力的行業，電氣技術的發展與應用也主要集中在這些行業。

　　1.可再生能源技術

　　1995年全球可再生能源僅佔一次能源的18%，預測到2050年可再生能源要佔一次能源的22%，21世紀，光伏技術、風電技術、生物質發電技術等得到了快速發展。下面著重介紹人類的未來能源——氫能。科學家們一直致力於研究把氫能作為人類未來的能源，氫能有其他能源無與倫比的優勢：

　　***1***清潔。其反應後的生成物為水和氮化氫，對環境沒有汙染。

　　***2***儲量豐富。地球上的海水所含的氫用來發電就夠人類用數億年。

　　***3***熱值高。單位重量的發熱量叫熱值，氫的熱值是汽油的3倍，煤炭的4倍。現在世界上很多國家正在斥巨資研究這一能源，但目前還處在實驗室階段，距工業應用還有一段距離。

　　2.輸電信技術

　　超導技術在電氣工程中的廣泛應用已成為發展趨勢。

　　***1***超導儲能系統。將電能轉換為電磁能，利用超導線圈儲存起來。超導儲能系統是除電池儲能系統之外的又一儲能系統，其使用將提高電網的安全性。