陈灯念传输线理论结课报告

1、 传输线理论结课报告作者姓名：陈灯念班级：电创新1301班指导老师：赵洪山2013年12月17日目录1. 电路原理基本知识.11.1基尔霍夫定律.11.2向量和复数的引入.72. 传输线理论课堂回顾12 2.1传输线介绍.122.2传输线上的损耗.162.2.1有损均匀的传输线.182.2.2无畸变传输线.19 2.3集总参数和分布参数.21 2.4特征阻抗.232.5传输线上电流电压的定解.292.6驻波.312.7传输线上的反射.322.8谐振.333.电能传输374.课外兴趣40 尼古拉特斯拉.40 1.1基尔霍夫定律基尔霍夫第一定律第一定律又称基尔霍夫电流定律，简记为KCL，是电流的连

2、续性在集总参数电路上的体现，其物理背景是电荷守恒公理。基尔霍夫电流定律是确定电路中任意节点处各支路电流之间关系的定律，因此又称为节点电流定律，它的内容为：在任一瞬时，流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和，即：在直流的情况下，则有：通常把上两式称为节点电流方程，或称为KCL方程。它的另一种表示为：在列写节点电流方程时，各电流变量前的正、负号取决于各电流的参考方向对该节点的关系（是“流入”还是“流出”）；而各电流值的正、负则反映了该电流的实际方向与参考方向的关系（是相同还是相反）。通常规定，对参考方向背离（流出）节点的电流取正号，而对参考方向指向（流入）节点的电流取负号。KCL的应用

3、：图KCL的应用所示为某电路中的节点，连接在节点的支路共有五条，在所选定的参考方向下有：KCL定律不仅适用于电路中的节点，还可以推广应用于电路中的任一假设的封闭面。即在任一瞬间，通过电路中任一假设封闭面的电流代数和为零。KCL的推广图KCL的推广所示为某电路中的一部分，选择封闭面如图中虚线所示，在所选定的参考方向下有：基尔霍夫第二定律第二定律又称基尔霍夫电压定律，简记为KVL，是电场为位场时电位的单值性在集总参数电路上的体现，其物理背景是能量守恒公理。基尔霍夫电压定律是确定电路中任意回路内各电压之间关系的定律，因此又称为回路电压定律，它的内容为：在任一瞬间，沿电路中的任一回路绕行一周，在该回路

4、上电动势之和恒等于各电阻上的电压降之和，即：在直流的情况下，则有：通常把上两式称为回路电压方程，简称为KVL方程。KVL定律是描述电路中组成任一回路上各支路（或各元件）电压之间的约束关系，沿选定的回路方向绕行所经过的电路电位的升高之和等于电路电位的下降之和。回路的“绕行方向”是任意选定的，一般以虚线表示。在列写回路电压方程时通常规定，对于电压或电流的参考方向与回路“绕行方向”相同时，取正号，参考方向与回路“绕行方向”相反时取负号。KVL的应用图KVL的应用所示为某电路中的一个回路ABCDA，各支路的电压在所选择的参考方向下为u1、u2、u3、u4，因此，在选定的回路“绕行方向”下有：u1+u2

5、=u3+u4。KVL定律不仅适用于电路中的具体回路，还可以推广应用于电路中的任一假想的回路。即在任一瞬间，沿回路绕行方向，电路中假想的回路中各段电压的代数和为零。KVL的推广图KVL的推广所示为某电路中的一部分，路径a、f 、c 、b 并未构成回路，选定图中所示的回路“绕行方向”，对假象的回路afcba列写KVL方程有：u4+uab=u5，则：uab=u5-u4。由此可见：电路中a、b两点的电压uab，等于以a为原点、以b为终点，沿任一路径绕行方向上各段电压的代数和。其中，a、b可以是某一元件或一条支路的两端，也可以是电路中的任意两点。 1.2 向量和复数的引入一个复数A可以在复平面上表示为从

6、原点到A的向量，此时a可看作与实轴同方向的向量，b可看作与虚轴同方向的向量。由平行四边形法则。则a+jb即表示从原点到A的向量，其模为|A|，幅角为q 。所以复数A又可表示为 两种表示法的关系乘除运算极坐标乘法：模相乘，角相加；除法：模相除，角相减。旋转因子： 正弦量的向量表示无论是波形图逐点相加，或用三角函数做都很繁。因同频的正弦量相加仍得到同频的正弦量，所以，只要确定初相位和最大值(或有效值)就行了。于是想到复数，复数向量也是一个大小、一个幅角，因此，我们可以把正弦量与复数对应起来，以复数计算来代替正弦量的计算，使计算变得较简单。电阻、电感和电容元件的正弦电压电流及相量关系：2.1传输线介

7、绍传输线就是用来引导传输电磁波能量和信号的装置。传输线中是基本概念：1.长线（long line）几何长度与工作波长l可比拟，需用分布参数电路描述。2.短线（short line）几何长度与工作波长l相比可以忽略不计，可用集总参数分析 二者分界：l/l 0.05 3.分布参数(distributed parameter) R、L、C和G 分布在传输线上（随频率改变）。单位长度上有：分布电阻、分布电感、分布电容和分布电导。（均匀、非均匀）对传输线的基本要求是：1.传输损耗要小，传输效率要高；2.工作频带要宽，以增加传输信息容量和保证信号的无畸变传输；3.在大功率系统中，要求传输功率容量要大；4.

8、尺寸要小，重量要轻，以及能便于生产与安装。传输线类型主要有: 1.平行双线2.双绞线3.屏蔽线4.同轴线5.波导管在低频时，把能源传到负载只要两根导线就可以了，而对这两根导线的形状并没有什么要求。但如果频率很高，波长短到可同两根导线间的距离相比较时，能量就会通过导线辐射到空间中去，即在高频下这两根导线同时起着天线的作用，结果输送到负载的能量就少了。为了避免辐射损耗，可以把传输线做成封闭形式，像同轴线那样，电磁场就完全被限制在内外导体之间，因而消除了因辐射而引起的能量损耗。同轴线是目前射频波段常用的一种能量及信号传输系统，在机载设备中应用最为普遍。随着频率的提高，轴线的欧姆损耗增加，而且损耗主要

9、发生在较细的内导体上；同时由于同轴线横截面尺寸的减小，使得在同样电压条件下，内外导体间的电场增强，因而容易引起击穿，这样就限制了它的传输功率。因此，同轴线不能工作于很高的频率，功率容量也比较小。由于主要是因内导体的存在而影响了同轴线的工作特性，而取掉内导体的同轴线实际上就是一个空心的金属管。理论与实验研究表明，当金属管的截面尺寸与波长相比足够大时，电磁波是可以在这种空心管中传播的。这种能传输电磁波的空心金属管就称为波导。波导的截面形状可以是各种形式，常用的是圆形截面的波导与矩形截面的波导。波导具有损耗小、功率容量大、结构简单、牢固等优点，但其使用频带较窄，通常只用于厘米波段和毫米波段。2.2传

10、输线上的损耗铜损：绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。变压器空载时，由于原线圈的电阻一般都很小，空载电流与电压之间的相位差很大（接近90），因此铜损可忽略，即空载时的损耗基本上等于铁损。变压器工作时，铜损主要决定于负载电流的大小，而负载电流的大小不仅与负载阻抗的大小有关而且与负载阻抗的性质有关，因此铜损的大小实际上是由负载的大小与功率因数决定。 （变压器损耗测量分析-电子世界-2013年 第2期 (2)）介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗

11、。也叫介质损失，简称介损。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角)的余角称为介质损耗角。（基于软件方法提高介质损耗角的在线监测精度-电工电气-2011年 第2期 ）辐射损耗：如果一根导线中电流慢慢增大，那么导线周围的磁场也会慢慢变大，从而会有电磁波，电磁波又是一种能量，在交流输电系统中，这些变为电磁波辐射出去的能量被称为“辐射损耗”(Radiation Loss)，就是指输电过程中变为电磁波辐射出去的能量。交流电在普通的电缆中传输，理论上一定会发射出电磁波。但是，在低频条件下，辐射损耗非常小。因为低频电磁波的辐射率很低，只有非常少的能量会变为电磁波辐射出去，可

12、以忽略不计。所以一般的生活交流电路计算时，都不考虑辐射损耗。 然而在如下几个问题上，辐射损耗非常重要。 1.频率较高时，例如音频放大电路，视频传输电路等。而双绞线或者同轴电缆，就是两种非常有效地可以减小辐射损耗的传输线。所以电话（频率2万Hz以下的信号）用双绞线传输，而有线电视（频率几十到几百MHz）要用同轴电缆传输，否则辐射损耗过大。 2.功率很高时。例如大型发电厂周围的变电设备，虽然辐射率很小，但是当传输的能量功率非常大时，乘上一个小的辐射率，结果也是可观的。所以大型变电设备周围的辐射非常强，都是隔离的。 3.线长很长时。如果输电线路非常长，由于每一段输电线路都相当于一个辐射源，此时的总辐

13、射量就 比较大。在实际设计中，常常利用多种方法来减少这种辐射的效率，比如调整每一段线路的线长等。2.2.1有损耗均匀传输线有损耗均匀传输线的方程及其解 用 R表示传输线每单位长度导体的电阻，它与 是串联关系。用 表示传输线每单位长度导体之间介质的漏电导，它与 是并联关系。因此有损耗均匀传输线的方程为 和 若电压和电流随时间作正弦变化，它们的通解为 式中 称为传输线的特性阻抗。 和 为积分常数，要根据边界条件确定。设 和 , 则电压的瞬时表达式为 +式中右边第一项表示向 (+z) 方向传播的入射波，而第二项表示向 (-z) 方向传播的反射波但它们的振幅随着波的前进按指数规律衰减。 描述波振幅衰减

14、的快慢，故称为衰减常数； 描述相位的改变率，故称为相位常数。2.2.2无畸变传输线 一般有损耗传输线上传播的信号要发生畸变。但是，如果能使衰减常数 不是频率的函数，而是一个常量；相位常数 与 成正比，即是具有如下的形式： 式中 和 k 都是与 无关的量，就可以消除有损耗传输线上的振幅畸变和相位畸变。 如果 则有 可见 是一常数，而 与 成正比。 当非正弦信号在满足 (7 95) 式所示条件的有损耗均匀传输线上传播时，可以消除振幅畸变和相位畸变，故称 (7 95) 式为无畸变条件。满足无畸变条件的有损耗传输线称为无畸变传输线。 在无畸变条件下，有损耗均匀传输线的特性阻抗为 由此可见，在无畸变传输

15、线中，沿线各处的入射电压波或反射电压波分别和电流波同相。 一般架空线或电缆线的原参数之间的关系为 ，为了实现无畸变传输线的条件，同时又能降低振幅衰减的程度，应增大 。工程中通常采用集中加感，即在传输线中每隔一定距离加入一个电感线圈以增大 ，为了不致破坏传输线的均匀性，电感线圈间的距离应较沿传输线传播的电磁波的波长小得多。另一种方法是采用分布加感，即在电缆芯线表面处均匀地绕一层磁导率较大的金属带以增大 。2.3集总参数和分布参数分布参数系统 状态变化不能只用有限个参数而必须用场（一维或多维空间变量的函数）来描述的系统。在实际问题中，参数的分布性质是普遍存在的。在很多情况下可以部分甚至全部地忽略这

16、种分布性质，以便简化对问题的研究。例如，对于一个有质量分布的弹性飞行器，在研究它的扭转运动时，必须考察其内部各点的运动，把它当作分布参数系统。但在研究它的运动轨线时，就不必逐点考虑其内部运动，而把质量集中到质心来分析，即把它当作集中参数系统。可以用有限个变量描述的系统，称为集中参数系统或集总参数系统。分布参数系统的典型实例有：电磁场、引力场、温度场等物理场，弹性梁型的运动体,大型加热炉,水轮机和汽轮机，化学反应器中的物质分布状态,长导线中的电压和电流等控制对象,环境系统（如污染物在一区域内的分布），生态系统（如物种的空间分布），社会系统（如人口密度分布）等。此外,若运动过程包含因在某种场内传递

17、而造成的时滞,则这种时滞系统也属于分布参数系统。分布参数系统广泛应用于热工、化工、导弹、航天、航空、核裂、聚变等工程系统，以及生态系统、环境系统、社会系统等。组成电路模型的元件，都是能反映实际电路中元件主要物理特征的理想元件，由于电路中实际元件在工作过程中和电磁现象有关，因此有三种最基本的理想电路元件：表示消耗电能的理想电阻元件R；表示贮存电场能的理想电容元件C；表示贮存磁场能的理想电感元件L，当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用集总在一起，用一个或有限个R、L、C元件来加以描述，这样的电路参数叫做集总参数。而集总参数元件则是每一个具有两个端钮的元件，从一个端钮流入

18、的电流等于从另一个端钮流出的电流；端钮间的电压为单值量。 参数的分布性指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同。这说明分布参数电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。一个电路应该作为集总参数电路，还是作为分布参数电路，或者说，要不要考虑参数的分布性，取决于其本身的线性尺寸与表征其内部电磁过程的电压、电流的波长之间的关系。若用 l表示电路本身的最大线性尺寸，用表示电压或电流的波长，则当不等式 l 成立，电路便可视为集总参数电路，否则便需作为分布参数电路处理。电力系统中，远距离的高压电力传输线即是典型的分布参数电路 ，因50赫芝的电流 、电压其波长虽为 6000 千米，但线路

19、长度达几百甚至几千千米，已可与波长相比。通信系统中发射天线等的实际尺寸虽不太长，但发射信号频率高、波长短 ，也应作分布参数电路处理。 研究分布参数电路时，常以具有两条平行导线、而且参数沿线均匀分布的传输线为对象。这种传输线称为均匀传输线（或均匀长线）。作这样的选择是因为实际应用的传输线可以等效转换成具有两条平行导线形式的传输线，而且这种均匀的传输线容易分析。 传输线是传送能量或信号的各种传输线的总称。其中包括电力传输线、电信传输线、天线等。传输线又称长线。由于它具有在空间某个方向上其长度已可与其内部电压、电流的波长相比拟，而必须考虑参数分布性的特征，所以是典型的分布参数电路。在电路理论中讨论传

20、输线时以均匀传输线作为对象。均匀传输线是指参数沿线均匀分布的二线传输线,其基本参数,或称原参数是R0、L0、C0和G0。其中R0 代表单位长度线（包括来线与回线）的电阻；L0代表单位长度来线与回线形成的电感；C0和G0分别代表单位长度来线与回线间的电容和漏电导。这些参数是由导线所用的材料、截面的几何形状与尺寸、导线间的距离，以及导线周围介质决定的。在高频和低频高电压下它们都有近似的计算公式。（参考书目：钱学森、宋健：工程控制论（修订版），科学出版社，北京，1980。 J.L.Lions, Optimal Control of Systems Governed byPartialDifferen

21、tialEquations, Springer-Verlag, Berlin,1971） 2.4 特征阻抗特征阻抗：又称“特性阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。影响特性阻抗的因素有：介电常数

22、、介质厚度、线宽、铜箔厚度。定义假设一根均匀电缆无限延伸，在发射端的在某一频率下的阻抗称为“特性阻抗”。测量方法测量特性阻抗时，可在电缆的另一端用特性阻抗的等值电阻终接，其测量结果会跟输入信号的频率有关。测量单位特性阻抗的测量单位为欧姆。在高频段频率不断提高时，特性阻抗会渐近于固定值。例如同轴线将会是50或75欧姆；而双绞线(用于电话及网络通讯)将会是100欧姆(在高于1MHz时)。粗同轴电缆与细同轴电缆是指同轴电缆的直径大还是小。粗缆适用于比较大型的局部网络,它的标准距离长、可靠性高。由于安装时不需要切断电缆,因此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置。但粗缆网络必须安装收发器和收发器电缆,安

23、装难度大,所以总体造价高。相反,细缆安装则比较简单,造价低,但由于安装过程要切断电缆,两头须装上基本网络连接头(BNC),然后接在T型连接器两端,所以当接头多时容易产生接触不良的隐患,这是目前运行中的以太网所发生的最常见故障之一。传输线阻抗的计算传输线阻抗是从电报方程推导出来(具体可以查询微波理论)如下图,其为平行双导线的分布参数等效电路:从此图可以推导出电报方程取传输线上的电压电流的正弦形式得推出通解定义出特性阻抗无耗线下r=0, g=0 得注意,此特性阻抗和波阻抗的概念上的差异(具体查看平面波的波阻义)特性阻抗与波阻抗之间关系可从此关系式推出. 理解特性阻抗理论上是怎么回事情,看看实际上的

24、意义,当电压电流在传输线传播的时候,如果特性阻抗不一致所求出的电报方程的解不一致,就造成所谓的反射现象等等.在信号完整性领域里,比如反射,串扰,电源平面切割等问题都可以归类为阻抗不连续问题,因此匹配的重要性在此展现出来.传输线的等效电路： 2.5传输线上电流电压的定解1. 终端条件（VL、IL）2始端条件（V0、I0） 2.6 驻波 简介：频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波。定义：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波，称为驻波。驻波（standi

25、ng wave） 例如，如图所示，一弦线的一端与音叉一臂相连，另一端经支点O并跨过滑轮后与一重物相连。 音叉振动后在弦线上产生一自左向右传 播 的行波，传到支点 O 后发生反射，弦线中产生一自右向左传播的反射波，当弦长接近1/2波长的整数倍时。两列波叠加后弦线上各点的位移为（设音叉振动规律为u=Acost） u（x，t）=2Asin（x）sin（ t ）=A（x）sin（t），弦线上每个固定的点均作简 谐运动，但不同点的振 幅不同，由x值决定。振幅为零的点称为波节，振幅最大处称为波腹。波节两侧的振动相位相反。相邻两波节或波腹间的距离都是半个驻波波长。在行波中能量随波的传播而不断向前传递，其平均

26、能流密度不为零；但驻波的平均能流密度等于零，能量只能在波节与波腹间来回运行。2.7传输线上的反射反射(reflection) 就是在传输线上的回波。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载 处，但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。源端 与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源 阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。布线的几何形状、 不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。 2.8谐振定义：在物理学里，有一个概念叫共振：当策动力的频率和系统的固有

27、频率相等时，系统受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。电路里的谐振其实也是这个意思：当电路中激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。实际上，共振和谐振表达的是同样一种现象。这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同的叫法而已。谐振电路：由电感L和电容C组成的，可以在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路，统称为谐振电路。在电子和无线电工程中，经常要从许多电信号中选取出我们所需要的电信号，而同时把我们不需要的电信号加以抑制或滤出，为此就需要有一个选择电路，即谐振电路。另一方面，在电力工程中，有可能由于电路中出现谐振而产生某些危害，例如过电压或过电流。所以，对谐振电路的研究，

28、无论是从利用方面，或是从限制其危害方面来看，都有重要意义。谐振与谐振条件：由电感L和电容C串联而组成的谐振电路称为串联谐振电路，如图9-1-1所示。其中R为电路的总电阻，即R=RL+RC，RL和RC分别为电感元件与电容元件的电阻；Us 为电压源电压，为电源角频率。该电路的输入阻抗为其中 。故得Z的模和幅角分别为由式（9-1-2）可见，当 时，即有=0，即XL与XC相同。此时我们就说电路发生了谐振。而电路达到谐振的条件即为（9-1-3）谐振频率由式（9-1-3）可得0称为电路的固有谐振角频率，简称谐振角频率，因为它只由电路本身的参数L，C所决定。电路的谐振频率则为 谐振阻抗，特征阻抗与品质因数电

29、路在谐振时的输入阻抗称为谐振阻抗，用Z0表示。由于谐振时的电抗X=0，故由式（9-1-1）得谐振阻抗为Z0=R可见Z0为纯电阻，其值为最小。谐振时的感抗XL0和容抗XC0称为电路的特征阻抗，用表示。即可见只与电路参数L，C有关，而与无关，且有XL0=XC0。品因数用Q表示，定义为特征阻抗与电路的总电阻R之比，即Q=/R=XL0/R=XC0/R在电子工程中，Q值一般在10-500之间。由上式可得=XL0=XC0=QR故可得谐振阻抗的又一表示式为Z0=R=/Q在电路分析中一般多采用电路元件的品质因数。电感元件与电容元件的品质因数分别定义为即电路的品质因数Q，实际上可认为就是电感元件的品质因数QL。

30、以后若提到品质因数Q，今指QL。谐振时特性谐振电路在谐振时的特性有1 谐振阻抗Z0为纯电阻，其值为最小，即Z0=R。2 电流与电源电压同相位，即=u-i=0。3 电流的模达到最大值，即I=I0=US/R0 ，I0称为谐振电流。4 L和C两端均可能出现高电压，即UL0=I0XL0=US/RXL0=QUSUC0=I0XC0=US/R XC0=QUS可见当Q?1时，即有UL0=UCO?US，故串联谐振又称为电压谐振。这种出现高电压的现象，在无线电和电子工程中极为有用，但在电力工程中却表现为有害，应予以防止。由上两式，我们又可得到Q的另一表示式和物理意义，即Q=UL0/US=UC0/US5 谐振时电路

31、的向量图如图9-1-2所示。由图可见，L和C两端的电压大小相等，相位相反，互相抵消了。故有 。电路的频率特性电路的各物理量随电源频率而变化的函数关系称为电路的频率特性。研究电路频率特性的目的在于进一步研究谐振电路的选择性与通频带问题。1阻抗的模频特性与相频特性 电路的感抗XL，容抗XC，电抗X，阻抗的模 分别为它们的频率特性如图9-1-3(a)所示，统称为阻抗的模频特性。由图可见，当=0时， ，当00时，X0，电路呈电容性；当=0时，X=0，电路呈纯电阻性， ；当00，电路呈感性；当时， 。阻抗的相频特性就是阻抗角随变化关系，即当=0时，=-/2；当=0时，=0；当=时，=/2。其曲线如图9-

32、1-3(b)所示，称为相位频率特性。2电流频率特性当=0时，I=0；当=0时，I=I0=US/R；当=时，I=0。其曲线如图9-1-3（c）所示，称为电流频率特性3 电压频率特性 电容和电感电压的有效值分别为UC=I/CUL=IL由于在电子工程中总是Q?1，0很高，且又是在0附近变化，故有1/C1/0C，L0L。故上两式可写为UC=ULI/0C=I0L即UC和UL均近似与电流I成正比。UC，UL的频率特性与电流I的频率特性相似，如图9-1-3(d)所示。图中UL0=UCO=I0X=I0XC0。 电路图3.1电能传输电能输送指由发电厂或电源由某处输送到另一处的一种方式，由于早期技术不成熟电能输送

33、多采用直流输电，而后期逐渐演变成交流传送，交流传送有很多优势，减少了电力输送中的损耗，提高了速度和传送长度。不过依然有一定的损耗，相信以后技术成熟，会出现更加合适的电能传输方式。例如：电能固态压缩方式，太阳能单独采集等。1早期电能输送关于电能的输送方式，是采用直流输电还是交流输电，在历史上曾引起过很大的争论。美国发明家爱迪生、英国物理学家开尔文都极力主张采用直流输电，而美国发明家威斯汀豪斯和英国物理学家费朗蒂则主张采用交流输电。2.交流电早期在早期，工程师们主要致力于研究直流电，发电站的供电范围也很有限，而且主要用于照明，还未用作工业动力。例如，1882年爱迪生电气照明公司（创建于1878年）

34、在伦敦建立了第一座发电站，安装了三台110伏“巨汉”号直流发电机，这是爱迪生于1880年研制的，这种发电机可以为1500个16瓦的白炽灯供电。但是随着科学技术和工业生产发展的需要，电力技术在通信、运输、动力等方面逐渐得到广泛应用，社会对电力的需求也急剧增大。由于用户的电压不能太高，因此要输送一定的功率，就要加大电流（PIU）。而电流愈大，输电线路发热就愈厉害，损失的功率就愈多；而且电流大，损失在输电导线上的电压也大，使用户得到的电压降低，离发电站愈远的用户，得到的电压也就愈低。直流输电的弊端，限制了电力的应用，促使人们探讨用交流输电的问题。爱迪生虽然是一个伟大的发明家，但是他没有受过正规教育，

35、缺乏理论知识，难以解决交流电涉及到的数学运算，阻碍了他对交流电的理解，所以在交、直流输电的争论中，成了保守势力的代表。爱迪生认为交流电危险，不如直流电安全。他还打比方说，沿街道敷设交流电缆，简直等于埋下地雷。并且邀请人们和新闻记者，观看用高压交流电击死野狗、野猫的实验。那时纽约州法院通过了一项法令，用电刑来执行死刑。行刑用的电椅就是通以高压交流电，这正好帮了爱迪生的大忙。在他的反对下，交流电遇到了很大的阻碍。3.交流电诞生但是为了减少输电线路中电能的损失，只能提高电压。在发电站将电压升高，到用户地区再把电压降下来，这样就能在低损耗的情况下，达到远距离送电的目的。而要改变电压，只有采用交流输电才

36、行。1888年，由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电。他用钢皮铜心电缆将1万伏的交流电送往相距10公里外的市区变电站，在这里降为2500伏，再分送到各街区的二级变压器，降为100伏供用户照明。以后，俄国的多利沃多布罗沃斯基又于1889年最先制出了功率为100瓦的三相交流发电机，并被德国、美国推广应用。事实成功地证实了高压交流输电的优越性。并在全世界范围内迅速推广。4.交流电与直流电的交互使用随着科学的发展，为了解决交流输电存在的问题，寻求更合理的输电方式，人们现在又开始采用直流超高压输电。但这并不是简单地恢复到爱迪生时代的那种直流输电。发电站发出的电和用户用的电仍然是交流电，只是

37、在远距离输电中，采用换流设备，把交流高压变成直流高压。这样做可以把交流输电用的3条电线减为2条，大大地节约了输电导线。目前最长的架空直流输电线路是莫桑比克的卡布拉巴萨水电站至阿扎尼亚的线路，长1414公里，输电电压为50万伏，可输电220万千瓦。5.新型能源传输方式交流传输模式，已经发展了几百年了，为了现代化建设和能源节约，电力实验室正研究更加高效 便捷的传输模式，例如：跨越式传输和放射式传输，既:采用中继站模式，点对点传输时采用空间传输 不用经过传统传输介质而是采用跨跃和放射性传输，这样超越了传统接触而是传输损耗降到最低！不过，以上需要建设很多基站也是一个资源投入，于是乎更加新型的固态供电和

38、太阳能新型能源在飞速发展中，固态供电，既：把电源固化成蓄电池模式，一次成型 能量约 2亿安时 约使用10年，耗尽的固化电池回收重新生成二代电池 相对而言，太阳能能源有更加高效和便捷的应用，2015年太阳能电池将实现第三代技术，将比如今的采光和面积大幅提升！既用户家每家安装集中采光板 自采自用 无需传输 尼古拉特斯拉尼古拉特斯拉（塞尔维亚语： ；1856年7月10日1943年1月7日），塞尔维亚裔美籍发明家、物理学家、机械工程师、电机工程师和未来学家。他被认为是电力商业化的重要推动者， 并因主要设计了现代交流电力系统而最为人知。在迈克尔法拉第发现的电磁场理论的基础上，特斯拉在电磁场领域有着多项革

39、命性的发明。他的多项相关的专利以及电磁学的理论研究工作是现代的无线通信和无线电的基石。在赢得著名的19世纪80年代的“电流战争”及在1894年成功进行短波无线通信试验之后，特斯拉被认为是当时美国最伟大的电机工程师之一。他的许多发现被认为是具有开创性的，是电机工程学的先驱。在美国电机工程史上，即便到了现在，特斯拉的名声依然能媲美其他最为成功最伟大对人类贡献最大的的发明家、科学家。1891年，特斯拉在成功试验了把电力以无线能量传输的形式送到了目标用电器之后，致力于商业化的洲际电力无线输送, 并且以此设想建造了半成品沃登克里弗塔。20世纪30年代，接近生命的尾声阶段，特斯拉一度变得深居简出，独居于纽

40、约市的一个旅馆里，偶尔才会向新闻界发表一些不同寻常的声明。因举止怪异，特斯拉被普遍认为是“疯狂科学家”的原型。1943年1月7日，特斯拉在穷困潦倒中去世。去世之后，特斯拉的成就并不太为当时的人所知，但是在20世纪90年代，他的公众名望出人意料地上演了王者归来。在2005年，他被电视节目“最伟大的美国人”（美国在线和探索频道共同开展）列为前100名，这张名单是由公众投票产生。在现代社会中处处可见特斯拉的遗产。撇开他在电磁学和工程上的成就，特斯拉也被认为对机器人、弹道学、资讯科学、核子物理学和理论物理学上等各种领域有贡献。12。许多他的成就已伴随着一些争议被应用，去支持着许多的非主流科学，如幽浮理

41、论和新世纪神秘理论。特斯拉当代的钦佩者视他为“创造出二十世纪的人”3。国际单位制中的， 用来衡量磁场强度（通常也作磁通量、磁感）的单位B，是以特斯拉的名字命名，符号T（由国际度量衡大会在1960年确立）。在塞尔维亚首都贝尔格莱德有一座国际机场以他的名字命名。早年尼古拉特斯拉出生于斯米连（英文名 Smiljan，现属于克罗地亚的戈斯皮奇市）的一个村庄， 父母都是塞尔维亚人。其出生地属于奥地利帝国（今克罗地亚共和国）的利卡区戈斯皮奇附近4。他的受洗纪录证明他出生于1856年6月28日（格里历7月10日）。其父亲名为米卢廷特斯拉（Rev. Milutin Tesla），是一位在斯雷姆斯基卡尔洛夫奇教

42、区的塞尔维亚东正教教堂里的神父。其母亲名为久卡（uka）就是一位塞尔维亚东正教神父的女儿，并且非常擅长于制作家庭手工工具。她能背诵许多塞尔维亚史诗，但从未学过认字5。他的教父，Jovan Drenovac，是保卫军事边疆的陆军上尉。特斯拉为家中五个孩子之一，有一个兄弟（Dane，在尼古拉五岁时死于骑马意外）和三个姊妹（Milka, Angelina和Marica）6。1862年时他的家庭移居到戈斯皮奇。特斯拉在克罗地亚的卡尔洛瓦茨上学，并在1875年奥地利的格拉茨科技大学修读电机工程。在那里，他学习交流电的应用。至少有两份资料说明他在格拉茨大学得到学士学位78。然而他的学校却宣称他从来没有获得

43、过学位，他在大学一年级只上了第一学期的课，并且在那期间已经不听课了9。另一些人称他因交不起第一学期的学费而被迫退学了1011。据他大学室友所说，特斯拉没有毕业12。在1878年，他离开格拉茨并且与家里断绝了所有的联系。他去了斯洛文尼亚的马里博尔，在那里他首次被聘为助理工程师，为期一年。在这期间他患上了神经衰弱。他的父亲一直劝他回到布拉格大学的查尔斯-费迪南德大学分校，于是他于1880年到那里读了夏季学期。然而当他父亲死后，又只读完了一个学期，他就离开了大学13。交流发电机原理说明特斯拉热衷于阅读各种书籍。他能像照相机一般，记下整本书14。特斯拉在他的自传里叙述了他所经历的灵感的每一个细节。在早

44、年，他经历了一次又一次的病痛折磨。承受着奇怪的痛苦，眩目的闪光时常会出现在他眼前，并伴随着幻觉。大多数时候，这些幻像有关于一个词或者一个即将闪现的念头；仅仅听到一个词，他就能想像这个物体的具体细节。特斯拉能够详细地试验并制造曾经在他脑中闪过的那些灵感。这是一项如今被称为视觉思维的技巧。特斯拉也经常快速地回忆起发生在他早年生活的事，这种情况在他的孩提时代已经出现了。15特斯拉的交流发电机用来远距离输送电力法国与美国在1882年他去了法国巴黎做一名工程师，设计改进电器。同年特斯拉发明了感应马达并开始开发各种用到旋转磁场的设备（于1888年取得了专利）。不久以后，特斯拉因得知母亲病危而急匆匆地离开巴

45、黎，刚到达不久后的几个小时母亲就死了，当时是1882年4月。她临终前的最后一句话是：“你终于来了，尼古拉，我的骄傲。”当她死后，特斯拉就病了。他在母亲的出生地查茨和戈斯皮奇休养了两三个星期。1884年，特斯拉第一次踏上美国国土，来到了纽约。除了前雇主查尔斯巴奇勒所写的推荐函外，他几乎是一无所有。这封信是写给托马斯爱迪生的，信中提到：“我知道有两个伟大的人，你是其中之一，另一个就是这个年轻人了。”爱迪生雇用了特斯拉，安排他在爱迪生机械公司工作。特斯拉开始为爱迪生进行简单的电器设计，他进步很快，不久以后就能解决公司一些非常难的问题。特斯拉完全负责了爱迪生公司直流电机的重新设计。1919年，特斯拉写

46、道：“如果他完成马达和发电机的改进工作，爱迪生将提供给他惊人的5万美元（如计入通货膨胀，相当于今天（2006年）的一百万美元）”。特斯拉说他的工作持续了将近一年，几乎将整个发电机重新设计了，使爱迪生公司从中获得巨大的利润和新的专利所有权。当特斯拉向爱迪生索取5万美元时，爱迪生回答他：“特斯拉，你不懂我们美国人的幽默”，就此违背了自己的诺言1617。这笔奖金的金额相当于公司创始资本，而以特斯拉当时每周18美元的薪水，他需要工作53年才能赚到。当特斯拉要求加薪至每周25美元遭到拒绝后辞职。特斯拉最后发现自己在爱迪生的公司仅仅是出卖体力，但在这段时间里，他开始关注于交流电系统的设计。中年在1886，

47、特斯拉创建了自己的公司，特斯拉电灯与电气制造公司（Tesla Electric Light & Manufacturing）。投资商不同意特斯拉关于交流电发电机的计划，并且最终罢免了他的职务。在1886到1887期间，特斯拉在纽约做一个普通的劳动者，既是为了糊口，也是为他的下一个工程计划积累资金。在1887，他组装了最早的无电刷交流电感应马达（brushless alternating current induction motor）， 并在1888年为美国电气电子工程师学会作了演示。同年（1888年），他发展了特斯拉线圈的原理，并且开始在西屋电器与制造公司（Westinghouse Elec

48、tric & Manufacturing Company）位于匹兹堡的实验室与乔治威斯汀豪斯一起工作。威斯汀豪斯听取了他的关于利用多相系统远程传输交流电的想法。在早期的研究中，特斯拉制造了许多实验设备来产生X射线。特斯拉认为用他的电路，“我的仪器可以产生的爱克斯光（即X射线）的能量比一般仪器可以产生的要大的多。”18他还谈到用他的电路和单节点X射线产生设备在工作时的危害。在他许多调查这种现象的记录中，他归结了导致皮肤损伤的许多原因。他认为早期的皮肤损伤并不是X射线所引起的，而是臭氧的产生与皮肤接触，和一些亚硝酸接触所致。特斯拉错误地认为X射线是纵波。特斯拉完成了一些实验先于伦琴证实了他的发现（

49、包括拍摄他的手的X射线照片，之后他将照片寄给了伦琴），但没有使他的发现众所周知，他的大部分研究资料在1895年三月的第五大道一次实验室大火中给烧毁了。特斯拉的发电机于1895年被其改进，改进中考虑到了液态空气。特斯拉知道，根据开尔文的发现，液态空气重新液化时会吸收的并可以用来驱动东西的热量，要比理论上产生的要更多。特斯拉早在1891年证实了无线能量传输，特斯拉效应（以此纪念特斯拉）是用来阐述这种类型的电导应用的术语（即能量穿过空间和物体的运动并不只是像穿过导体的电流一样）。美国公民在1891年7月30日，35岁的特斯拉加入美国国籍。同年在纽约第五大道建立了自己的实验室。在此之后，他在纽约的休斯

50、顿街建立了自己的实验室。在那里他用机电振荡器进行了机械共振实验，他使周围的一些建筑物产生了共振，引来了警方的投诉。随着速度的增加，他用仪器到达了房子的共振频率，之后他发现了这个实验的危险，被迫强拆自己的房子来终止实验，此时警察也刚刚到了。19他在纽约一些地方无线点亮了那里的电灯，为无线传输的可能性提供了证据。20特斯拉的挚友中有一些是艺术家。他结识了美国世纪杂志（The Century Magazine）的编辑罗伯特安德伍德约翰逊。与此同时，他也受吠陀哲学（即印度哲学）哲学家辨喜的影响，到后来他接触印度教吠陀思想，以至于特斯拉开始用梵文来命名他的有关物质与能量的基本概念。21当特斯拉36岁时，

51、第一次获得了多相电源系统的专利权。他继续研究了旋转磁场的定律。1892至1894年，特斯拉担任美国电气工程师学会副主席和美国无线电工程师学会的先驱人，也就是后来的电气电子工程师学会。1893年至1895年，他在研究高频交流电。他用圆锥形的特斯拉线圈造出了百万伏的交流电，他研究了导体中的“集肤效应”，设计了调谐电路，发明了无绳气体放电灯，并无线发射了电能，造了第一台无线电发射机。1893年，在密苏里州的圣路易斯，特斯拉做了一个有关无线电通信的演示。他在宾夕法尼亚州费城的弗兰克林学院发表演讲，详细阐述自己的想法。他说：许多年以后，人类的机器可以在宇宙中任何一点获取能量从而驱动机器22。在1893年

52、的世博会（即芝加哥哥伦布纪念博览会），这个世界性的博览会第一次为电子展品开设展区。特斯拉与乔治威斯汀豪斯有历史意义的用交流电照亮了整个博览会借此向参观者介绍交流电。在展会上，特斯拉展示了他的荧光灯和单节点灯泡。一位参观者记述道：“房间内悬挂着两个用锡箔包裹的硬橡胶板。两个大约相距十五英尺。当电源接通，灯泡与灯管没有电线连接，而灯泡发光了。这个实验与两年前特斯拉在伦敦所做的实验效果相同”23。特斯拉使一个铜质的蛋（称为哥伦布蛋）站立在了他的仪器上，以此阐述异步电动机和旋转磁场的原理。爱迪生在19世纪80年代末，爱迪生推广用直流电来提供电力分配比特斯拉与威斯汀豪斯所推广的交流电来比，更有效果，因此

53、特斯拉与爱迪生在一定程度上成为了竞争对手。直到特斯拉发明了异步电动机，交流电远距离高压传输的优点也就体现出来，同时也解决了机器不能用上交流电的问题。由于“电流大战”缘故，特斯拉和威斯汀豪斯几近破产，因此在1897年，特斯拉用自己的专利使用费替威斯汀豪斯缓解了一下危机。同年，特斯拉研究了粒子辐射，使他建立了宇宙射线基本方程。24当特斯拉41岁时，他申请了第一个无线电专利美国专利 645,576。一年后，他向美军演示了用无线电遥控船只，他认为美军会对像遥控鱼雷的东西感兴趣。特斯拉声称自己建造了“遥控力学的艺术”（Art of Telautomatics），是一种机器人，同时也是一种遥控科技。251

54、898年，他在麦迪逊广场花园的一次电学博览会上向公众演示了无线电遥控船只。特斯拉称那船只叫“远程自动化”（teleautomation）。2620世纪60年代以前无线电遥控还是个新鲜事物。特斯拉发明了给汽油机（内燃机）的“电点火器”即火星塞，他获得了专利美国专利 609,250。科罗拉多斯普林斯1889年，特斯拉决定迁往可以让他有做高频高压实验的地方，科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯，并开始在那儿进行研究。到达后不久他向记者说，他正在做将讯号从派克斯峰（附近的一座山）送到巴黎的无线传输实验。特斯拉的日记里有他对关于电离层及地下纵波与横波的实验的阐述。27在实验室中，特斯拉证明了泥土是导电体并制造出

55、人造闪电。28特斯拉通过自己的接收器观察了闪电并研究了大气电。特斯拉的接收器与检波器的复制品到了非常复杂的程度（例如，分布式元模型，Q因子，空腔谐振器，无线电频率反馈和再生电路）。29特斯拉研究如何无线传输能量与电力。他在自己的实验与发现的基础之上通过计算得出地球的共振频率接近8赫兹。20世纪50年代，研究人员证实电离层的空腔谐振频率在此范围之内（后来称之为舒曼共振）。特斯拉于1900年1月7日离开了科罗拉多斯普林斯。实验室被拆除，里面的东西全都被卖掉来抵债。在科罗拉多的实验为特斯拉下一个计划做好了准备，建立一个无线能量发射设施，也就是后来的沃登克里弗塔。特斯拉因发明增加电子波动强度的仪器而被授与美国专利 685,012专利。晚年1900年，特斯拉拿着15万美元（51%来自于约翰皮尔蓬摩根）开始计划建造沃登克里弗塔。于1902的七月，特斯拉的研究从休士顿街移到了沃登克里弗塔，此塔将被用于全球电力的无线传输。但此塔最终在第一次世界大战期间被拆除而报废。当时的报纸称沃登克里弗塔为“特斯拉的百万大建筑”。于1904年，