電能的工業套用大約起始於19世紀中後期，至今有一百多年的歷史。它給人類社會的許多方面帶來了巨大而深刻的影響。
基本介紹
- 中文名：電工科技史
- 時期：19世紀
- 屬性：電磁現象的套用有關的基礎科學
- 性質：電池的發明
電工科技史,參考書目,
電工科技史
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前言
電磁現象的發現和電池的發明
近代電磁研究的發端
電池的發明
電磁感應定律和早期的電機
法拉第的工作
早期的電機
電報和電話的發明
莫爾斯電報和大西洋海底電纜
電話的發明
電照明和電機的發展
白熾燈
電機的改進與交流電系統
發電廠和電力傳輸
電廠出現
電力傳輸
電工理論的形成與發展
電路理論
電磁場理論
電工科技的現狀與展望
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從廣義上說，電工科學技術是與研究電磁現象的套用有關的基礎科學、技術學科及工程技術的綜合。這包括電磁形式的能量，信息的產生、傳輸、控制、處理、測量，有關的系統運行，設備製造技術等多方面的內容。19世紀末，電工技術已形成了電力和電信兩大分支。進入20世紀以後，電工科技的發展更為迅速，套用電磁現象的技術門類日益增多，發展和形成了許多獨立的學科，如無線電技術、電子技術、自動控制技術等等。電工科技通常主要是指電力工程及其設備製造的科學技術。
電工科學技術所依據的基本原理大都是由物理學、數學等純科學中提出來的。依據基本原理，結合技術、工藝、經濟等各方面的條件，研究可供套用的電工技術，製造出適應各種需要的電工產品，就是電工科技的主要領域。與電工技術直接有關的部門已形成龐大的工業體系，有關的理論也有許多分支。電力工業與社會生產、公眾生活、文化教育等各方面有著十分密切的關係，是現代社會的重要支柱。
電磁現象的發現和電池的發明
人類從自然界的電閃雷鳴和天然磁石上開始注意到電磁現象。中國古代(公元前1100～前771)的青銅器“番生簋”上就出現了“電”字(見圖)。在希臘和中國的古代文獻中都有關於天然磁石吸鐵和摩擦琥珀吸引細微物體的記載。在朝鮮樂浪郡的漢墓中出土的司南是最早套用電磁現象的實物（見圖）。司南由一個用天然磁石鑿成的勺和一個銅製的方盤組成，盤的中央光滑，四周有表示方向的刻度。使用時擲勺於盤上，勺停止轉動時，柄就指向南方。唐朝(618～907)的指南儀器有了改進，《武經總要》書中記載有“將軍用指南魚”。宋朝的科學家沈括在他所著的《夢溪筆談》中詳細介紹了製作人造磁針的方法，當時指南針已被廣泛套用。
電機的勵磁
1851年德國科學家W.J.辛斯特登提出了勵磁方案，用通電流的線圈代替永久磁鐵。這是勵磁方式的第一次改進。1854年丹麥科學家S.約爾特設計和製成自激發電機，這是電機勵磁方式和結構上的又一次重大發展。1866年前後，英國工程師S.A.瓦利、C.惠斯通和德國電氣工程師E.W.von西門子等人相繼獨立製成了自激發電機。惠斯通採用並激勵磁，西門子採用串激勵磁。當時製作出的電機普遍有電流不穩的缺點。直到1870年，在巴黎的比利時發明家Z.T.格拉姆對義大利物理學家A.帕奇諾蒂在1859年研製的環形電樞發電機模型作了改進，他用疊片式環形電樞在上下兩個磁極間旋轉，並採用金屬換向器。這一電機電流較為穩定，取得了專利，先後在巴黎和維也納展出，受到人們重視。這個發電機雖然效率還不高,但能提供較高的電壓,發出較大的功率(最大達100千瓦)，具有一定的實用價值。至此,電流的產生不再依賴實驗裝置，而有結構可靠、由原動機驅動、可以產生大電流的發電機可用了。
早期的實用電機1873年德國工程師F.赫夫納－阿爾滕內克設計了一種鼓形電樞，簡化了電機的結構，減少了銅線用量,降低了成本,造出了容量大、效率高、更具有推廣價值的發電機。此後，又經美國H.S.馬克西姆等人改進電樞，採用了磁場補償線圈與換向極，直流電機在1880年便具有了現代電機的基本結構。
1823～1825年，英國人P.巴洛、斯特金和美國J.亨利分別製作了電磁鐵，證實了電磁作用可以產生吸引力。T.達文波特在亨利的支持下於1834年製造了一台直流電動機，並於次年用它驅動一輛小車。1838年在俄國彼得堡，Б.С.雅科比根據法拉第的理論獨立地設計製作了一台電動機，並用它驅動一條小船在涅瓦河上航行了一段，初步顯示了電動機的實用性。
19世紀80年代以前,人們從電池得到直流電,因此各國科學家大多致力於直流電機的研製，並有一些直流發電機開始投入運行，導致公用供電系統的出現。1874年俄國Ф.Α.皮羅茨基進行了3.6公里的直流輸電試驗，發現電壓降落和電能損耗太大,難以推廣套用。1880和1881年，俄國Д.Α.拉契諾夫和法國M.德普勒分別提出用高壓直流電輸電以減少損耗。試驗結果表明，當時產生高壓直流電有困難，而且用戶使用也有不便，於是人們轉而研究發展交流電，這就促進了交流電技術的發展。
電報和電話的發明
早在1804年西班牙工程師D.F.薩爾瓦就研究用導線傳送電流和信息。隨後進行這一研究的也不少，但都未達到實際套用的水平。直到1837年，英國W.F.庫克和惠斯通製成了雙針式電報接收機，並用於利物浦的鐵路線上。1839年雅可比發明了電磁式電報記錄儀，提高了收報的可靠性。同年德國西門子取得他製作的電報機的專利。
莫爾斯電報和大西洋海底電纜1838年美國S.F.B.莫爾斯發明了以點劃組成的電碼代表不同的字母或信息，即沿用至今的莫爾斯電碼。他研究了當時各種電報機的優缺點之後，又採用了亨利1835年發明的繼電器以驅動紙帶並記錄所接收的信號，完成了商用電報機。1844年由美國政府資助建成從華盛頓到巴爾的摩的電報線路，正式提供商用通報。此後歐洲各國也陸續採用莫爾斯電碼和裝置，電報的使用從此迅速擴大，電報線路的敷設由此加快。
英國W.湯姆孫（即後來的開爾文勳爵）參加了敷設大西洋海底電纜的工作。從1856年開始，經過多次失敗，歷時10年，終於成功，實現了從英國到美國之間的越過大洋的通報。到1869年，實現了包括越過太平洋、印度洋在內的全球範圍的海底電纜網。
電話的發明電報的使用促進了電話的發明。1876年美國A.G.貝爾在工程師T.沃森的協助下，試驗成功電話。1877年美國T.A.愛迪生髮明了阻抗式發話器，改進了電話的效果。1878年美國的商用電話投入使用。兩年後，美國已有48000台電話機,通信事業成了重要的企業部門。電報、電話的出現推動了電工理論，特別是電路理論的形成和發展。
電照明和電機的發展
電弧雖能發出強光，卻因為需要很多電池才能提供足夠的電壓以產生電弧，因而並未廣泛用作照明。直到發電機有所發展，電照明重新引起人們注意。1844年法國J.B.L.傅科製成以木炭為電極的弧光燈，但電極消耗很快。1854年H.格貝爾在美國用玻璃泡密封炭化竹絲的電燈泡，使用時間仍然不長。
白熾燈美國愛迪生在試驗了一千多種材料之後，提高燈泡中的真空度,製成了耐用的炭絲燈泡,並於1879年取得美國專利。與他同時，英國J.W.斯旺也制出了耐用的炭絲燈泡。由此兩人產生髮明專利權的爭執。最後於1883年以在英國成立愛迪生與斯旺聯合電燈公司解決了爭端。使用方便的炭絲白熾燈很快普及到千家萬戶，並取代了公共場所一度流行的煤氣燈和弧光燈，此燈在歐洲一些城市被稱為“電氣”(electric gas)。炭絲燈的使用壽命畢竟不長。1909年美國W.D.庫利奇開發了鎢絲的拉絲工藝後，於1912年試製成鎢絲燈泡，取得專利後，讓給美國通用電氣公司生產。以後鎢絲燈泡取代炭絲燈泡，成為最普及的照明用具。電燈的廣泛使用，是電能套用的一次大普及，並改變了人們的生活；同時也增加了對電能的需求，促進了電機製造技術的進一步發展。
電機的改進與交流電系統19世紀中電機的製造技術逐步改進，實用的直流發電機漸趨完善。1878年美國C.F.布拉什在電機轉子上開槽以放置繞組導線，轉子的受力大部分轉移到槽壁上，增加了電機的總體機械強度。1883年英國J.克雷格在電機中採用疊片磁極及通風間隙。G.W.富勒採用疊片轉子。1885年瑞士A.梅隆提出疊式繞組。用類比於光的干涉現象，義大利G.費拉里斯在1885年提出了交流電機的旋轉磁場理論，這是交流電機理論的重要進展。1886年美籍南斯拉夫工程師N.特斯拉製成了三相感應電動機。1889年俄國Μ.Ο.多利沃-多布羅沃利斯基發明了三相鼠籠式感應電動機。這種電機結構簡單堅固、成本低廉,很快就成為使用得最多的電動機,促進了交流電在動力上的套用。
19世紀80年代，直流電的工業套用已有一定的規模，但人們也認識到，用當時的直流電技術實現大量地傳輸電能是有困難的。於是，發展交流發電輸電技術成為當時的迫切需要。
愛迪生對於發展交流電技術持強烈的反對觀點，而美國的G.威斯汀豪斯及其創建的西屋電氣公司則積極開發交流電及其套用技術。經過激烈的競爭，後者取得了成功。
發電廠和電力傳輸
1876年俄國П.Н.雅布洛奇科夫建立了為照明供電用的交流電廠，採用了不閉合鐵心的變壓器以改變電壓。1882年 И.Ф.烏薩金在全俄展覽會上展出了升壓變壓器和降壓變壓器。1883年在英國倫敦博覽會上展出了L.戈拉爾和J.D.吉布斯的變壓器，容量達5千伏安,仍然用不閉合鐵心。1885年匈牙利M.德里研製出閉合磁路的單相干式變壓器。採用這種結構使變壓器的性能大為改善。
電廠出現1886年美國開始建設發出交流電的電廠，功率為6千瓦,用單相供電。英國德特福特、福斯班克電廠，俄國諾沃羅西斯克電廠亦先後建成。
三相制與電力系統1888年俄國多利沃－多布羅沃利斯基創用三相制。1891年由法國勞芬水電站至德國法蘭克福的三相高壓輸電線路建成。它在始端有升壓變壓器，容量為20千伏安，電壓為90/15200伏；終端有降壓變電站，輸出效率在80%以上，有十分明顯的技術優越性和經濟效益。此後，不過10年左右，交流輸電技術中便幾乎全部採用了三相制。
美國在1882年僅有電廠3座,此後電廠建設蓬勃發展，到1902年便增至3621座。歐洲各國在這時期也建起了大批電廠。這標誌著人類已迎來了電氣化的時代。
對分散在許多地點的電力用戶提供大量經濟、可靠的電能的需求，促進了電力工業的蓬勃發展和進步。這一發展的趨勢是：採用高效率大功率的蒸汽推動的原動機;不斷加大發電機的單機容量；提高輸電電壓等級;延長輸電的距離，這就促進高電壓大容量遠距離的電力系統的形成。許多材料、製造工藝的進步，新式裝置的研製，新的理論成果的套用，以及一些新興的技術如電子技術、自動控制等都在這一形成過程中起到了重要的作用。
原動機及電機技術的發展驅動發電機的原動機，早期多採用效率不高的蒸汽機，以後幾經改進，效率的提高仍不多。1884年英國C.A.帕森斯首先創造可供實用的汽輪機。1889年他又成立專門製造汽輪機發電機組的公司。其後法國A.拉托發明多級衝動式汽輪機，經濟技術性能又有改進。以後汽輪機的工作溫度、壓力不斷提高，熱效率也相應提高，很快成為熱力發電站的主要動力裝置。製造大容量的發電機，發電機中需要有有效的散熱措施，否則發電機的溫度會升高到它的絕緣材料所不能承受的程度。20世紀50年代以後，電機的冷卻技術由表面通風的直冷式發展為內冷與外冷結合的多重間接冷卻，並採用低密度高比熱的氫氣作為冷卻介質，在相當大的程度上解決了散熱的困難。冶金技術的進步又為電機提供了性能不斷改進的磁性材料，由熱軋矽鋼片到冷軋矽鋼片、非晶態鋼等，新的材料降低了電機的鐵心損耗，提高了效率。使用的絕緣材料由早期的瀝青、雲母等發展到各種耐熱彈性材料，提高了容許的溫升，增加了絕緣強度。這些技術進步使得大容量高效率的電機製造成為可能。目前已有單機容量達 130萬千瓦的發電機組。中國自行設計製造的30萬千瓦和60萬千瓦的發電機組均已投入運行。
電力傳輸輸電技術的進步主要表現在輸電電壓等級的不斷提高。這要求全面提高電力系統的絕緣強度，研製出工作在高電壓下的各種電器設備，主要有變壓器、斷路器、絕緣子等。1906年懸鏈式絕緣子問世，它比針柱式絕緣子可以耐受更高的電壓、承受更大的重量。採用分裂導線形式的輸電線減少了高壓導線上的電暈損耗。高壓斷路器中滅弧技術的改進，如採用磁吹、油吹、壓縮空氣氣吹等措施,提高了斷路器的分斷能力。在1955～1965年期間研製出六氟化硫氣體封閉式組合電器。這些技術上的進步使高電壓、超高壓遠距離大功率的輸電線路得以實現、發展和不斷完善。美國在1908年開始出現110千伏輸電線路，1923年輸電電壓提高到220千伏。其後歐洲許多國家也都相繼建成 220千伏的線路。30年代以後輸電電壓繼續提高。1936年美國有了 287千伏的輸電線。1959年蘇聯建成500千伏的輸電線。70年代,中國在西北建成了330千伏的線路,80年代在華中、華北和東北都建成了500千伏的輸電線。
電力系統的繼電保護電力系統對安全可靠性有著非常高的要求。電力系統中的短路、雷擊、誤操作等故障都可能損壞設備、不能正常供電而使生產停頓，甚至發生人員傷亡事故。為了儘量減少事故的影響範圍，一方面要求改進系統中設備的設計，另一方面便是設定保護裝置。這促使電力系統中繼電保護技術的發展。早期的電力線路中只裝有簡單的熔斷器、避雷器。到1930年左右，已研製出多種電磁繼電器及相應的保護設施。繼電保護技術已趨成熟。以後引入電子技術，使用固體電子器件如電晶體、晶閘管整流元件，進而使用計算機技術，更為電力系統繼電保護技術的發展開闢了新的途徑。
電力網路為了提高供電的可靠性，並使電力系統以最經濟的方式運行,許多電廠通過輸電線互相聯接,形成功率強大、遍及廣大地區的電力網路。這樣的系統已成為現代社會生產、人民生活中的主要動力來源。保持這種系統的正常運行，對其進行管理調度監控，就形成了包括許多技術部門的龐大的產業體系。
電工理論的形成與發展
電工理論的形成基於技術發展的需要。人們在物理學中對電磁現象的本質及其規律的認識為電工技術提供了原理上的可能性。但是在實際套用中還需要解決工程設計、製造工藝、經濟效益、使用可靠、維護便利等一系列問題。從而逐步形成了分析電工設備中發生的電磁過程及其定量方法的電工理論。
電路理論電報的出現，增加了對電路分析和計算的需要。德國科學家G.R.基爾霍夫在深入地研究了歐姆的工作成果之後，於1845年提出了電路的兩個基本定律。①電流定律：匯集於一個節點上的各個電流的代數和為零；②電壓定律：沿一個迴路，電動勢的代數和等於電壓降的代數和。1847年他又提出了一篇論文，證明在複雜電路網路中，根據前述兩條基本定律所能列出的獨立方程數目，恰好等於總的支路電流數目，恰可滿足對給定電路求解的要求。
在1826年歐姆發表歐姆定律和1831年法拉第發表電磁感應定律之後，1832年亨利提出了表征線圈中自感應作用的自感係數L。 俄國楞次提出：導體中由電磁感應產生的電流，也遵守歐姆定律。1853年湯姆孫採用電阻、電感和電容的電路模型，分析了萊頓瓶的放電過程，得出電振盪的頻率。同年亥姆霍茲提出電路中的等效發電機定理。由於國際通信需求的增加，1850～1855年歐洲建成了英國、法國、義大利、土耳其之間的海底電報電纜。電報信號經過遠距離的電纜傳送，產生了信號的衰減、延遲、失真等現象。1854年湯姆孫發表了電纜傳輸理論，分析了這些現象。1857年基爾霍夫考慮到架空傳輸線與電纜不同，得出了包括自感係數在內的完整的傳輸線上電壓及電流的方程式，人們稱之為電報員方程或基爾霍夫方程。至此，包括傳輸線在內的電路理論就基本建立起來了。
交流電路理論19世紀後半葉，對電機的研製及其理論不斷取得進展。1880年英國J.霍普金森提出了形式上與歐姆定律相似的計算磁路用的定律，又用鐵磁材料的磁化曲線，考慮磁滯現象的影響以設計電機。19世紀末，交流電技術的迅速發展，促進交流電路理論的建立。1893年，C.P.施泰因梅茨提出分析交流電路的複數符號法（相量法），採用複數表示正弦式的交流電，簡化了交流電路的計算。瑞士數學家J.R.阿爾甘提出的矢量圖，也成為分析交流電路的有力工具。這些理論和方法，為此後電路理論的發展奠定了基礎。
網路理論進入20世紀，電工技術以更快的速度發展。有關的技術理論不斷建立和提高。1911年英國工程師O.亥維賽提出阻抗的概念，還提出了求解電路暫態過程的運算法。1918年福台克提出了對稱分量法，用以將不對稱三相電路化為對稱三相電路進行分析。這一方法至今仍為分析三相交流電機、電力系統不對稱運行的常用方法。20世紀初電信技術的興起，也促進了電路理論的研究。1920年G.A.坎貝爾、K.華格納研究了梯形結構的濾波電路。1923年O.佐貝爾提出了 m導出型濾波器的設計方法。1924年R.M.福斯特提出電感電容二端網路的電抗定理。此後便建立了由給定頻率特性設計電路的網路綜合理論。在電子管被發明後，電子電路的技術迅速發展。1932年瑞典H.奈奎斯特提出了由反饋電路的開環傳遞函式的頻率特性判斷閉環系統穩定性的判據。1945年美國H.W.伯德出版了《網路分析和反饋放大器》一書，總結了負反饋放大器的原理，由此形成了分析線性電路和控制系統的頻域分析方法，並得到了廣泛的套用。20世紀中期以後電子計算機的發展，為電工理論的套用提供了強有力的工具。電工理論與其他學科的理論相互借鑑，繼續在新的技術進步中共同發展。
電磁場理論物理中對電磁學的研究，到19世紀中期已經有了關於靜電現象的庫侖定律、關於電流和磁場關係的安培環路定律和法拉第電磁感應定律。法拉第提出的關於電磁場的概念是尤為光輝的思想。他認為電磁場是真實的物理存在，並可用電力線和磁力線來表示。他還認為空間各處的電磁場不能突然發生，而是從電荷及電流所在之處逐漸向周圍傳播的。1846年他發表了一篇論文，構想光是力線振動的表現。他的這些論斷，由英國科學家J.C.麥克斯韋所繼承。麥克斯韋在1855年發表“論法拉第力線”一文，對力線進行了嚴格的數學描述；在1861年發表的“論物理力線”的重要論文中提出了電位移的概念，並稱電位移矢量的時間導數為“位移電流”密度。這種電流與傳導電流相似，同樣可以產生磁場。這表明在電磁感應作用下磁場的變化產生電場，而變化的電場引起的位移電流又能產生磁場。1864年麥克斯韋發表了“電磁場的動力學”論文，採用法國數學家J.L.拉格朗日和愛爾蘭數學家W.R.哈密頓在力學中所用的方法，描述電磁場的空間分布和時間變化規律，得出了4個微分方程,這就是麥克斯韋方程組。由這組方程麥克斯韋導出了電磁場的波動方程，由之預言電磁波的傳播速度正是光速，從而斷定光也是電磁波。1887年德國科學家H.R.赫茲用實驗證明了電磁波的存在，使麥克斯韋的預言得到證實。他的電磁場理論具有相當普遍的意義，成為電工技術（包括無線電技術）的基本依據。
進入20世紀,隨著電能套用越來越廣,各種交流、直流電機和變壓器等設備以規模日益擴大的趨勢得到套用。研製各種電工設備,往往需要分析其中的電磁場分布,結合工藝、材料等方面的考慮，來設計和改進產品。而電磁場的分析，雖然有電磁場的方程提供了作這類分析的依據，但由於實際問題往往非常複雜，能用解析方法作出分析的問題是很有限的，因此在電工技術中常採用實驗，包括40年代中提出的模擬方法來解決這些問題。50年代以來，由於電子計算機的發展，有了求數值解的有力手段，擴大了可以進行計算的問題的範圍。電工理論隨著技術的發展而在不斷地解決新的問題、吸收新的內容的過程中發展。
電工科技的現狀與展望
電工技術到19世紀末已在電力和電信兩方面都取得了巨大的成功。在20世紀的前30年中，物理學的研究獲得重大的突破，建立了量子論和相對論，使人們對物質世界從小至原子到大至天體的認識都更為深入。20世紀初電子管的發明帶來了通信技術、無線電廣播、電視的興起和繁榮。40年代末半導體三極體的發明標誌著電子技術進入了一個新的階段，很快就出現了多種半導體器件，在體積小、重量輕、功耗低等方面顯示出優越的性能。繼而發展出積體電路，使電子技術跨進了積體電路、大規模積體電路和超大規模積體電路的時代。40年代末電子計算機的發明是科技進步的新的里程碑。與電子器件技術發展的同時，電子計算機的製造技術迅速地不斷更新。計算機軟體技術也不斷完備，50年代末研究出多種計算機語言，使得計算機的使用日趨方便。高速、大容量的電子計算機的作用已遠不限於用作快速的計算工具，而是在生產、科學研究、管理乃至社會生活的許多其他方面都成為技術進步的非常有力的手段。
60年代發明了雷射技術。由雷射器發出的光有相干性良好、能量密度高等特點，它首先在計量技術中得到套用，60年代末又利用它實現了光纖通信。這一技術是當代電子技術的又一大進展。
20世紀的許多重大技術進步都是在多方面的理論和技術綜合套用的基礎上實現的。電工技術在新技術進展中起著不可缺少的支持作用，新的技術進展又不斷促進電工技術的進步。新的發電方式如磁流體發電已經實現，超導技術的進展將可能在電工技術中引起廣泛的革新，電漿研究的成果帶來了實現受控核聚變的希望，在科技理論中資訊理論、控制論、系統工程等眾多學科先後出現，各學科技術相互影響和發展，形成了當代科技進步的洪流，電工科技亦將在其中繼續發展。
參考書目
C.Singer and others， A History of Technology， Oxford Univ.Press, London，1955.
清華大學自然辯證法教研組編：《科學技術史講義》，清華大學出版社，北京，1982。
