第二章 电气工程发展简史

电气工程导论 1 第2章电气科学与工程的发展简史 这个过程大致可分为三个阶段 第一阶段 从公元前大约7世纪至公元16世纪上半叶 在长达两千余年的岁月里 人类对电 磁现象的认识十分缓慢 一直停留在单纯地观察记录的水平上 第二阶段 自16世纪下半叶英国女王的侍医官吉尔伯特开始 人们对电磁现象进行了探讨 并作了一些定性的归纳和总结 这一阶段大约持续了二百年 第三阶段 从18世纪的卡文迪许 库仑开始 人们对电磁现象的研究进入了用科学方法定量研究 总结归纳从而得出规律的阶段 电气工程导论 2 电气科学与工程的发展简史 电气工程导论 3 电气科学与工程的发展简史 电气工程导论 4 电气科学与工程的发展简史 带有莱顿瓶的起电机 电气工程导论 5 电气科学与工程的发展简史 电气工程导论 6 电气科学与工程的发展简史 库仑定律 电气工程导论 7 电气科学与工程的发展简史 电气工程导论 8 电气科学与工程的发展简史 电气工程导论 9 电气科学与工程的发展简史 安培与他的实验装置 安培定律 电气工程导论 10 电气科学与工程的发展简史 电气工程导论 11 电气科学与工程的发展简史 欧姆与他的实验装置 欧姆定律 电气工程导论 12 电气科学与工程的发展简史 法拉第与最早的发电机 法拉第盘 法拉第电磁感应定律 电气工程导论 13 电气科学与工程的发展简史 电气工程导论 14 电气科学与工程的发展简史 皮克斯发明的直流发电机 电气工程导论 15 电气科学与工程的发展简史 雅可比发明的世界上第一台电动机模型 左 与实用电动机 右 复制品 电气工程导论 16 电气科学与工程的发展简史 西门子与他的自激式发电机 电气工程导论 17 电气科学与工程的发展简史 电气工程导论 18 电气科学与工程的发展简史 麦克斯韦与他所著的 电磁通论 麦克斯韦方程 电气工程导论 19 电气科学与工程的发展简史 电弧灯 左 与爱迪生发明的白炽灯 电气工程导论 20 3 1电工技术的初期发展 3 1 1人类近代的技术革命 基础 牛顿力学 主要标志 蒸汽机 应用 机器制造 采矿 铁路 冶金 纺织 基础 电磁学原理 电路原理 化工原理 力学等 主要标志 电力 钢铁 化工 汽车 飞机 通讯 电气工程导论 21 应用 电气工程 电子信息 通信 自动控制化工 钢铁等领域 基础 电子技术 信息理论 系统理论 控制理论 主要标志 原子能利用 电子管 半导体 集成电路 应用 电气工程 电子信息 通信 自动控制 计算机技术 家用电器 医疗设备 化工等领域 电气工程导论 22 3 1 2电工技术的初期发展 1831年 法拉第发现电磁感应原理 奠定了发电机的理论基础 科学的发现 引起了技术的发明 1866年 德国物理学家西门子发明了励磁电机 并预见 电力技术很有发展前途 它将会开创一个新纪元 西门子生于汉诺威的累尔特 18岁入普鲁士炮兵服役 后进柏林陆军大学学习 毕业后到兵厂工作 斯28岁提升为柏林炮厂厂长 31岁时和机械师哈尔克在柏林郊区创设了西门子 哈尔斯克电报机制造厂 电气工程导论 23 1879年10月 美国发明家爱迪生 ThomasAlvaEdison 1847 1931 发明了电灯 1882年 爱迪生建成世界上第一座较正规的发电厂 装有6台直流发电机 共900马力 1马力 0 735kW 通过110V电缆供电 最大送电距离1 6km 供6200盏白炽灯照明用 完成了初步的电力工业技术体系 爱迪生曾说 天才是99 的汗水 加上1 的灵感 1892年 爱迪生创立通用电气公司 爱迪生象征着美国由穷变富的理想 爱迪生的一生 是美国从落后农业国向工业国过渡 从全盘照搬欧洲技术到建立美国自己的技术体系的时代 电气工程导论 24 1885年意大利科学家法拉里提出的旋转磁场原理 对交流电机的发展有重要的意义 美国发明家 工业家威斯汀豪 GeorgeWistinghouse 1846 1914 生于纽约州的一个农业机械制造商家庭 在龙宁学院学习后 参加南北战争的北军 在陆军和海军服役 1865年发明旋转式蒸汽机而首次获专利 1869年设立威斯汀豪空气制动器公司 西屋空气制动器公司 在匹兹堡建设工厂 生产铁路制动器和铁路信号装置 其产品畅销欧美 电气工程导论 25 威斯汀豪自1870年代就开始研究电机 1885年 他购置了法国高拉德 1850 1888 和英国吉布斯于1881年的发明的 供电交流系统 专利权 在他领导下 与研制变压器和配电设备的斯坦利 发明多项交流发电机和感应电动机的特斯拉 研制测量设备的沙伦伯格等 共同完成了交流发电 供电系统 并在匹兹堡创建了交流配电网 在完成这一巨大工程中 显示出他的重用优秀技术专家的领导艺术和组织才能 于1886年成立威斯汀豪电气公司 西屋电气公司 1889年 威斯汀豪电气公司更名为威斯汀豪电气和制造公司 威斯汀豪一生获专利100多项 电气工程导论 26 美籍南斯拉夫电气工程师特斯拉 NikolaTesla 1856 1943 1883年发明了世界上第一台感应电动机 1888年发明的两相异步特斯拉电动机和交流电力传输系统 美国采用60赫兹作为工业用电的标准频率与他有很大关系 特斯拉出生于奥匈帝国的一个牧师家庭 具有难以置信的记忆力和对数学的理解能力 于1884年移居美国 先是受雇于爱迪生 当时正值 电流争论 时期 一方面发明家爱迪生坚持继续使用直流电 另一方面 发明家威斯汀豪则主张改用交流电 由于特斯拉对交流电感兴趣 便离开了爱迪生而加入了威斯汀豪的企业 电气工程导论 27 3 2电工理论的建立 3 2 1电路理论的建立 1778年 伏特就提出电容的概念 导体上储存电荷Q CU 1826年欧姆发表欧姆定律 1831年法拉第发表电磁感应定律 1832年亨利提出了表征线圈中自感应作用的自感系数L 即磁通 Li 俄国楞次提出 导体中由电磁感应产生的电流 也遵守欧姆定律 电气工程导论 28 1853年 亥尔姆霍兹提出电路中的等效发电机原理 一个线性含有电源的一端口网络 对外电路而言 可以简化为一个电压源和一个电阻的串联电路来等效替代 1855年汤姆逊发表了电缆传输理论论文 他采用电容 电阻构成的梯形电路 来构成长距离电缆的等效电路模型 分析了电报信号经过长距离传送所产生衰减 延迟 失真的原因 电气工程导论 29 德国出生的美籍电气工程师施泰因梅茨 C P Steinmetz 1865 1923 对交流电路理论的发展作出巨大贡献 他出生即带有残疾 自幼受人嘲侮 但他意志坚强 刻苦学习 1882年入布雷斯劳大学就读 正弦交流电路计算方法的一个重要进展 是由施泰因梅茨于1893年提出的分析交流电路的符号法 相量法 他利用数学中的第莫威定理 用复数的模和辐角来代表有正弦量的效值 或最大值 和初相位 在相同频率下的三角函数运算 就可以转化为复数的代数运算了 电气工程导论 30 3 2 2电网络理论的建立 20世纪初 由于通讯技术的兴起 促进了电网络理论的研究 1920年 坎贝尔与瓦格纳研究了梯形结构的滤波电路 1923年 坎贝尔还提出了滤波器的设计方法 1924年 福斯特提出了电感 电容二端网络的电抗定理 此后便建立了由给定频率特性而设计电路的电网络综合理论 在电子管问世以后 电子电路分析的理论迅速发展 1932年瑞典科学家奈奎斯特提出了由反馈电路的开环传递函数的频率特性 来判断闭环系统稳定性的判据 电气工程导论 31 1945年 美国伯德出版了 网络分析和反馈放大器 一书 书中总结了负反馈放大器的原理 由此形成了分析线性电路 控制系统的频域分析方法 并获得了广泛应用 20世纪中期以后电子计算机的出现 为电工理论的应用提供了强有力的工具 电网络的计算机辅助分析 计算机辅助设计应运而生 电工理论与其他学科的理论相互借鉴 继续在新的技术进步中共同发展 电气工程导论 32 3 2 3电磁场理论的建立 19世纪中期已经有了关于静电现象的库仑定律 关于电流和磁场关系的安培环路定律和法拉第电磁感应定律 1846年法拉第发表了一篇论文 设想光是力线振动的表现 他的这些论断 由英国科学家麦克斯韦所继承 麦克斯韦在1856年发表 论法拉第力线 一文 对力线进行了严格的数学描述 1861年麦克斯韦发表的 论物理力线 的重要论文中提出了电位移的概念 并称电位移矢量的时间导数为 位移电流 密度 电气工程导论 33 1864年麦克斯韦发表了 电磁场的动力学 论文 描述电磁场的空间分布和时间变化规律 提出了电磁场的基本方程组 1887年赫兹用实验证明了电磁波的存在 使麦克斯韦的预言得到证实 他的电磁场理论具有相当普遍的意义 成为电工技术 无线电技术的基本依据 50年代以来 由于电子计算机的发展 有了求数值解的有力手段 扩大了可以进行计算的问题的范围 电路仿真技术 电磁场仿真技术也逐步推广使用 电工理论随着科学技术的进步而不断的发展 电气工程导论 34 计算机产业的飞速发展第一代 1946 1958 电子管第二代 1959 1963 晶体管第三代 1964 1970 集成电路第四代 1971 现在 大规模 超大规模集成电路发展趋势 微型化 巨型化 网络化 智能化目前世界上计算机的最快速度 数1000万亿次 秒 电气工程导论 35 中国设计制造的超级计算机时间 2009 10名称 天河一号计算速度 1206万亿 秒设计制造单位 国防科技大学 电气工程导论 36 3 3 3自动控制技术 自动控制是在没有人直接参与的情况下 利用控制装置 对生产过程 工艺参数 目标要求等进行自动的调节与控制 使之按照预定的方案达到要求的指标 自动控制技术属于信息科学和信息技术范畴 它是信息处理技术的一项技术 控制系统主要由控制器和控制对象两大部分构成 控制系统的数字模型有两部分组成 一部分是目标函数 由一个关于状态变量X t 控制变量U t 和时间t的函数的积分来表示 另一部分是约束条件 这些约束条件包括被控对象状态方程 状态的初始条件等 电气工程导论 37 3 3 4能源新技术 能源是经济和社会发展的生要的物质基础 现代社会生产的不断发展 随着机械化 电气化 自动化程度的不断提高 生产上对能源的需求量也就越来越大 能源和人民的衣 食 住 行等密切相关 能源与国防的关系至为密切 不仅在生产种种武器上需用大量能源 而且在使用各种武器时也离不开能源 能源问题直接关系到国民经济的发展 社会的进步和人民生活水平的提高 电气工程导论 38 能源新技术包括各种能源资源从开采到最终使用各个环节的先进技术 洁净煤技术先进燃烧和污染处理技术煤的气化与液化 核能新技术新一代压水堆核电站核燃料的增殖 快中子增殖反应堆新的供热资源 低温核供热堆和高温气冷堆受控热核聚变能 电气工程导论 39 新能源技术太阳能新技术风能技术物质能利用新技术波浪能和潮汐能氢能利用技术 节能新技术余热回收利用技术电子电力技术高效电动机高效节能照明技术远红外线加热技术电热膜加热技术 电气工程导论 40 3 3 5激光技术 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就 它一问世 就获得了异乎寻常的飞快发展 激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生 而且导致整个一门新兴产业的出现 激光器的发明不仅是光学发展史上的伟大里程碑 而且是整个科技史上的一个伟大里程碑 激光技术在现代社会中正在发挥越来越大的作用 现代激光技术已经广泛应用于加工 精密测量 通讯 信息处理 医学 军事和科学技术研究等领域 电气工程导论 41 3 4新理论 新材料对电工技术的影响 上世纪40年代末 半导体三极管的发明标志着电子技术进入了一个新的阶段 很快就出现了多种半导体器件 在体积小 重量轻 功耗低等方面显示出优越的性能 使电气工程中的控制设备得到更进一步升级 在40年代末电子计算机的发明是科技进步新的里程碑 50年代末研究出多种计算机语言 使得计算机的使用日趋方便 高速 大容量的电子计算机的作用已远不限于用作快速的计算工具 而是在电力系统的生产 科学研究 管理等方面都成为技术进步的非常有力的手段 电气工程导论 42 3 4 120世纪下半叶对电工技术有影响的研究成果 50年代以后 在受控热核聚变研究和空间技术的推动下 等离子物理学与放电物理学蓬勃发展 在理论和应用两方面都取得丰硕成果 等离子体是宇宙中绝大部分可见物质的存在形式 等离子体科学已涵盖了受控热核聚变 低温等离子体物理及应用 基础等离子体物理 国防和高技术应用 天体和空间等离子体物理等分支领域 这些研究领域对人类面临的能源等许多全局性问题的解决具有重大意义 电气工程导论 43 核能发电磁流体发电风能发电太阳能发电煤气 蒸汽联合发电其它新能源 3 4 221世纪上半叶电工技术的发展趋势 3 4 2 1能源 电力 电气工程导论 44 磁浮列车磁流体推进船电动车 3 4 2 2交通运输 电气工程导论 45 超导电力电缆超导限流器超导储能超导变压器 超导直流电机 3 4 2 3超导电工 电气工程导论 46 思考题3 1在电工技术的初期发展过程中 有哪些科学家分别作出了什么贡献 3 2电工理论包含哪几个方面 它对电工技术的发展有何作用 3 3人类在对电磁现象的研究过程中 发现了哪些主要定律 3 4在新技术革命过程中取得了哪些主要成果 其中哪些成果对电气工程有何影响 2 电气工程导论 47 电气