第二章 电气工程发展简史

NORTH UNIVERSITY OF CHINA第第第第2 2章章章章 电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史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。这个过程大致可分为三个阶段。第一阶段，第一阶段，从公元前大约从公元前大约7 7世纪至公元世纪至公元1616世纪上半世纪上半叶，在长达两千余年的岁月里，人类对电、磁现叶，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象的认识十分缓慢，一直停留在单纯地观察记录的水平上。的水平上。第二阶段，第二阶段，自自1616世纪下半叶英国女王的侍医官吉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了一些定性的归纳和总结。这一阶段大约持续了二百年。二百年。第三阶段，第三阶段，从从1818世纪的卡文迪许、库仑开始，人世纪的卡文迪许、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、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。总结归纳从而得出规律的阶段。1电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史时间时间典型事件及意义典型事件及意义代表人物代表人物公元前七公元前七世纪世纪 发现磁石发现磁石 管子管子(中国中国)thalethale(泰勒斯泰勒斯 希腊希腊)公元前二公元前二世纪世纪 静电吸引静电吸引 西汉初年西汉初年 16001600年年 论磁石论磁石论述磁并导论述磁并导入入“电电”electric electric William Gilbert(William Gilbert(吉尔伯特吉尔伯特)17451745年年 莱顿瓶电容器的原形，莱顿瓶电容器的原形，存贮电存贮电 Pieter van Pieter van musschenbrockmusschenbrock(穆欣布罗克穆欣布罗克 荷兰莱顿荷兰莱顿)EwaldEwald GeorgGeorg Von Von KleitKleit(克莱斯特克莱斯特 德国德国)2电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史吉尔伯特和他的著作吉尔伯特和他的著作吉尔伯特和他的著作吉尔伯特和他的著作论磁石论磁石论磁石论磁石3电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史带有莱顿瓶的起电机带有莱顿瓶的起电机带有莱顿瓶的起电机带有莱顿瓶的起电机4电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史时间时间典型事件及意义典型事件及意义代表人物代表人物17471747年年 电荷守恒定律电荷守恒定律 BenjamimBenjamim FranktinFranktin(夫兰夫兰克林克林 美国美国)17541754年年 避雷针避雷针 ProcopiusProcopius DirischDirisch(狄维施狄维施)17851785年年 库仑定律库仑定律电磁学电磁学进入科学行列进入科学行列 Charles Charles AugusteAuguste de de CoulomCoulom(库仑库仑 法国法国)5电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史库仑和他发明的扭力天平库仑和他发明的扭力天平库仑和他发明的扭力天平库仑和他发明的扭力天平库仑定律库仑定律库仑定律库仑定律6电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史时间时间典型事件及意义典型事件及意义代表人物代表人物17991799年年 发明电池发明电池提供较长时间的电流提供较长时间的电流 Alessandro Graf VoltaAlessandro Graf Volta(伏特伏特 意大利意大利)18201820年年 电流的磁效应（电产生电流的磁效应（电产生磁）磁）安培分子电流说安培分子电流说毕奥毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律 Hans Hans ChanstanChanstan OerstedOersted (奥斯特奥斯特)Andre Marie Ampere(Andre Marie Ampere(安安培培)Jean-Jean-BaptuteBaptute Biot,FelixBiot,Felix SavartSavart(毕奥，萨伐尔毕奥，萨伐尔)7电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史伏特与伏打电池伏特与伏打电池伏特与伏打电池伏特与伏打电池8电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史安培与他的实验装置安培与他的实验装置安培与他的实验装置安培与他的实验装置安培定律安培定律安培定律安培定律9电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史时间时间典型事件及意义典型事件及意义代表人物代表人物18261826年年 欧姆定律欧姆定律 GeorgGeorg Simon ohm(Simon ohm(欧欧姆姆)18311831年年 电磁感应现象电磁感应现象（磁产生电）（磁产生电）Michael FaradayMichael Faraday(法拉第法拉第 英国英国)18341834年年 楞次定律楞次定律 楞次楞次 10电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史欧姆与他的实验装置欧姆与他的实验装置欧姆与他的实验装置欧姆与他的实验装置欧姆定律欧姆定律欧姆定律欧姆定律11电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史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与最早的发电机法拉第与最早的发电机法拉第与最早的发电机法拉第盘法拉第盘法拉第盘法拉第盘法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律12电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史时间时间典型事件及意义典型事件及意义代表人物代表人物18321832年年 第一台实用的直流发电第一台实用的直流发电机机HippolyteHippolyte PixiiPixii（皮克斯皮克斯，法国），法国）18341834年年 第一台实用的电动机第一台实用的电动机 Moritz Hermann Von Moritz Hermann Von JaccobiJaccobi(雅可比雅可比，德籍俄国，德籍俄国)18661866年年 第一台自激式发电机第一台自激式发电机 Ernst Werner Von Ernst Werner Von SiemensSiemens(西门子西门子，德国，德国)13电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史皮皮皮皮克克克克斯斯斯斯发发发发明明明明的的的的直直直直流流流流发发发发电电电电机机机机14电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史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）雅可比发明的世界上第一台电动机模型（左）雅可比发明的世界上第一台电动机模型（左）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）与实用电动机（右，复制品）与实用电动机（右，复制品）与实用电动机（右，复制品）15电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史西门子与他的自激式发电机西门子与他的自激式发电机西门子与他的自激式发电机西门子与他的自激式发电机16电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史时间时间典型事件及意义典型事件及意义代表人物代表人物18731873年年 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组建立了电磁学理论，建立了电磁学理论，预言了电磁波预言了电磁波 Maxwell(Maxwell(麦克斯韦，麦克斯韦，英国英国)18791879年年 电灯泡的发明电灯泡的发明 EdisonEdison(爱迪生爱迪生 美国美国)18961896年年 光速公式光速公式 HendrikHendrik AnoenAnoen LorentzLorentz(洛仑兹洛仑兹)17电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史麦克斯韦与他所著的麦克斯韦与他所著的麦克斯韦与他所著的麦克斯韦与他所著的电磁通论电磁通论电磁通论电磁通论麦克斯韦方程麦克斯韦方程麦克斯韦方程麦克斯韦方程18电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史电气科学与工程的发展简史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弧灯（左）与爱迪生发明的白炽灯电弧灯（左）与爱迪生发明的白炽灯电弧灯（左）与爱迪生发明的白炽灯19电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.1 电工技术的初期发展电工技术的初期发展 3.1.1 3.1.1 人类近代的技术革命人类近代的技术革命人类近代的技术革命人类近代的技术革命第一次技术革命（始于第一次技术革命（始于第一次技术革命（始于第一次技术革命（始于1818世纪下半叶世纪下半叶世纪下半叶世纪下半叶）基基基基 础：础：础：础：牛顿力学牛顿力学牛顿力学牛顿力学主要标志：主要标志：主要标志：主要标志：蒸汽机蒸汽机蒸汽机蒸汽机应应应应 用：用：用：用：机器制造、采矿、铁路、冶金、纺织机器制造、采矿、铁路、冶金、纺织机器制造、采矿、铁路、冶金、纺织机器制造、采矿、铁路、冶金、纺织第二次技术革命（始于第二次技术革命（始于第二次技术革命（始于第二次技术革命（始于1919世纪下半叶世纪下半叶世纪下半叶世纪下半叶）基基基基 础：础：础：础：电磁学原理、电路原理、化工原理、力学等电磁学原理、电路原理、化工原理、力学等电磁学原理、电路原理、化工原理、力学等电磁学原理、电路原理、化工原理、力学等 主要标志：主要标志：主要标志：主要标志：电力、钢铁、化工；汽车、飞机、通讯电力、钢铁、化工；汽车、飞机、通讯电力、钢铁、化工；汽车、飞机、通讯电力、钢铁、化工；汽车、飞机、通讯20电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA应应应应 用：用：用：用：电气工程、电子信息、通信、自动电气工程、电子信息、通信、自动电气工程、电子信息、通信、自动电气工程、电子信息、通信、自动 控制控制控制控制 化工、钢铁等领域化工、钢铁等领域化工、钢铁等领域化工、钢铁等领域 基基基基 础：础：础：础：电子技术、信息理论、系统理论、控制理论电子技术、信息理论、系统理论、控制理论电子技术、信息理论、系统理论、控制理论电子技术、信息理论、系统理论、控制理论主要标志：主要标志：主要标志：主要标志：原子能利用、电子管、半导体、集成电路原子能利用、电子管、半导体、集成电路原子能利用、电子管、半导体、集成电路原子能利用、电子管、半导体、集成电路第三次技术革命（始于第三次技术革命（始于20世纪中叶世纪中叶）应应应应 用：用：用：用：电气工程、电子信息、通信、自动控制、电气工程、电子信息、通信、自动控制、电气工程、电子信息、通信、自动控制、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、化工计算机技术、家用电器、医疗设备、化工计算机技术、家用电器、医疗设备、化工计算机技术、家用电器、医疗设备、化工 等领域。等领域。等领域。等领域。21电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.1.23.1.2 电工技术的初期发展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。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。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。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，毕业后到兵厂林陆军大学学习，毕业后到兵厂 工作，斯工作，斯28岁提升为柏林炮厂厂岁提升为柏林炮厂厂 长。长。31岁时和机械师哈尔克在柏岁时和机械师哈尔克在柏 林郊区创设了西门子林郊区创设了西门子哈尔斯克哈尔斯克 电报机制造厂。电报机制造厂。22电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 18791879年年年年1010月，月，月，月，美国发明家美国发明家美国发明家美国发明家爱迪生爱迪生爱迪生爱迪生（Thomas Alva EdisonThomas Alva Edison，1847193118471931）发明了电灯。发明了电灯。发明了电灯。发明了电灯。18821882年，爱迪生建成世界上第一座较正规的发电厂，装有年，爱迪生建成世界上第一座较正规的发电厂，装有年，爱迪生建成世界上第一座较正规的发电厂，装有年，爱迪生建成世界上第一座较正规的发电厂，装有6 6台直流发电机台直流发电机台直流发电机台直流发电机，共，共，共，共900900马力马力马力马力（1 1马力马力马力马力=0.735kW=0.735kW，），），），），通过通过通过通过110V110V电缆供电，最大送电距离电缆供电，最大送电距离电缆供电，最大送电距离电缆供电，最大送电距离1.6km1.6km，供，供，供，供62006200盏白炽灯照盏白炽灯照盏白炽灯照盏白炽灯照明用，完成了初步的电力工业技术体系。明用，完成了初步的电力工业技术体系。明用，完成了初步的电力工业技术体系。明用，完成了初步的电力工业技术体系。爱迪生爱迪生爱迪生爱迪生曾说：曾说：曾说：曾说：“天才是天才是天才是天才是9999的汗水，加上的汗水，加上的汗水，加上的汗水，加上1 1的灵感。的灵感。的灵感。的灵感。”18921892年，年，年，年，爱迪生创立通用电气公司。爱迪生创立通用电气公司。爱迪生创立通用电气公司。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，是美国爱迪生象征着美国由穷变富的理想，爱迪生的一生，是美国爱迪生象征着美国由穷变富的理想，爱迪生的一生，是美国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。国自己的技术体系的时代。国自己的技术体系的时代。国自己的技术体系的时代。23电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA1885年年意意大大利利科科学学家家法法拉拉里里提提出出的的旋旋转转磁磁场场原原理理，对对交交流流电电机的发展有重要的意义。机的发展有重要的意义。美美国国发发明明家家、工工业业家家威威斯斯汀汀豪豪（George Wistinghouse，18461914）生生于于纽纽约约州州的的一一个个农农业业机机械械制制造造商商家家庭庭。在在龙龙宁宁学学院院学学习习后后，参参加加南南北北战战争争的的北北军军，在在陆陆军军和和海海军军服服役役。1865年发明旋转式蒸汽机而首次获专利。年发明旋转式蒸汽机而首次获专利。1869年年设设立立威威斯斯汀汀豪豪空空气气制制动动器器公公司司（西西屋屋空空气气制制动动器器公公司司），在在匹匹兹兹堡堡建建设设工工厂厂，生生产产铁铁路路制制动动器器和和铁铁路路信信号号装装置置，其其产品畅销欧美。产品畅销欧美。24电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 威威威威斯斯斯斯汀汀汀汀豪豪豪豪自自自自18701870年年年年代代代代就就就就开开开开始始始始研研研研究究究究电电电电机机机机。18851885年年年年，他他他他购购购购置置置置了了了了法法法法国国国国高高高高拉拉拉拉德德德德（1850185018881888）和和和和英英英英国国国国吉吉吉吉布布布布斯斯斯斯于于于于18811881年年年年的的的的发发发发明明明明的的的的“供供供供电电电电交交交交流流流流系系系系统统统统”专专专专利利利利权权权权。在在在在他他他他领领领领导导导导下下下下，与与与与研研研研制制制制变变变变压压压压器器器器和和和和配配配配电电电电设设设设备备备备的的的的斯斯斯斯坦坦坦坦利利利利、发发发发明明明明多多多多项项项项交交交交流流流流发发发发电电电电机机机机和和和和感感感感应应应应电电电电动动动动机机机机的的的的特特特特斯斯斯斯拉拉拉拉、研研研研制制制制测测测测量量量量设设设设备备备备的的的的沙沙沙沙伦伦伦伦伯伯伯伯格格格格等等等等，共共共共同同同同完完完完成成成成了了了了交交交交流流流流发发发发电电电电、供供供供电电电电系系系系统，并在匹兹堡创建了交流配电网。统，并在匹兹堡创建了交流配电网。统，并在匹兹堡创建了交流配电网。统，并在匹兹堡创建了交流配电网。在在在在完完完完成成成成这这这这一一一一巨巨巨巨大大大大工工工工程程程程中中中中，显显显显示示示示出出出出他他他他的的的的重重重重用用用用优优优优秀秀秀秀技技技技术术术术专专专专家家家家的的的的领领领领导导导导艺艺艺艺术术术术和和和和组组组组织织织织才才才才能能能能。于于于于18861886年年年年成成成成立立立立威威威威斯斯斯斯汀汀汀汀豪豪豪豪电电电电气气气气公公公公司司司司(西西西西屋屋屋屋电电电电气气气气公公公公司司司司)；18891889年年年年，威威威威斯斯斯斯汀汀汀汀豪豪豪豪电电电电气气气气公公公公司司司司更更更更名名名名为为为为威威威威斯斯斯斯汀汀汀汀豪豪豪豪电电电电气气气气和和和和制造公司。威斯汀豪一生获专利制造公司。威斯汀豪一生获专利制造公司。威斯汀豪一生获专利制造公司。威斯汀豪一生获专利100100多项。多项。多项。多项。25电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 美美美美 籍籍籍籍 南南南南 斯斯斯斯 拉拉拉拉 夫夫夫夫 电电电电 气气气气 工工工工 程程程程 师师师师 特特特特 斯斯斯斯 拉拉拉拉（NikolaNikola TeslaTesla，1856194318561943）18831883年年年年发发发发明明明明了了了了世世世世界界界界上上上上第第第第一一一一台台台台感感感感应应应应电电电电动动动动机机机机。18881888年年年年发明的两相异步特斯拉电动机和交流电力传输系统。发明的两相异步特斯拉电动机和交流电力传输系统。发明的两相异步特斯拉电动机和交流电力传输系统。发明的两相异步特斯拉电动机和交流电力传输系统。美国采用美国采用美国采用美国采用6060赫兹作为工业用电的标准频率与他有很大关系。赫兹作为工业用电的标准频率与他有很大关系。赫兹作为工业用电的标准频率与他有很大关系。赫兹作为工业用电的标准频率与他有很大关系。特特特特斯斯斯斯拉拉拉拉出出出出生生生生于于于于奥奥奥奥匈匈匈匈帝帝帝帝国国国国的的的的一一一一个个个个牧牧牧牧师师师师家家家家庭庭庭庭，具具具具有有有有难难难难以以以以置置置置信信信信的的的的记记记记忆力和对数学的理解能力。忆力和对数学的理解能力。忆力和对数学的理解能力。忆力和对数学的理解能力。于于于于18841884年年年年移移移移居居居居美美美美国国国国，先先先先是是是是受受受受雇雇雇雇于于于于爱爱爱爱迪迪迪迪生生生生；当当当当时时时时正正正正值值值值“电电电电流流流流争争争争论论论论”时时时时期期期期，一一一一方方方方面面面面发发发发明明明明家家家家爱爱爱爱迪迪迪迪生生生生坚坚坚坚持持持持继继继继续续续续使使使使用用用用直直直直流流流流电电电电；另另另另一一一一方方方方面面面面，发发发发明明明明家家家家威威威威斯斯斯斯汀汀汀汀豪豪豪豪则则则则主主主主张张张张改改改改用用用用交交交交流流流流电电电电。由由由由于于于于特特特特斯斯斯斯拉拉拉拉对对对对交交交交流电感兴趣，便离开了爱迪生而加入了威斯汀豪的企业。流电感兴趣，便离开了爱迪生而加入了威斯汀豪的企业。流电感兴趣，便离开了爱迪生而加入了威斯汀豪的企业。流电感兴趣，便离开了爱迪生而加入了威斯汀豪的企业。26电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.23.2 电工理论的建立 3.2.1 电路理论的建立电路理论的建立 1778年年，伏伏特特就就提提出出电电容容的的概概念念，导导体体上上储储存存电电荷荷QCU。1826年欧姆发表欧姆定律。年欧姆发表欧姆定律。1831年法拉第发表电磁感应定律。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年亨利提出了表征线圈中自感应作用的自感系数系数L，即磁通即磁通Li。俄国楞次提出：导体中由电磁感应产生的电流，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。也遵守欧姆定律。27电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA1853年，亥尔姆霍兹提出电路中的等效发电机原年，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。电路来等效替代。1855年汤姆逊发表了电缆传输理论论文，他年汤姆逊发表了电缆传输理论论文，他采用采用电容、电阻构成的梯形电路，来构成长距离电缆电容、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。送所产生衰减、延迟、失真的原因。28电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 德国出生的美籍电气工程师施德国出生的美籍电气工程师施泰因梅茨（泰因梅茨（C.P.Steinmetz,1865C.P.Steinmetz,186519231923）对交流电路理论的发展作出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，刻苦幼受人嘲侮，但他意志坚强，刻苦学习，学习，18821882年入布雷斯劳大学就读。年入布雷斯劳大学就读。正正正正弦弦弦弦交交交交流流流流电电电电路路路路计计计计算算算算方方方方法法法法的的的的一一一一个个个个重重重重要要要要进进进进展展展展，是是是是由由由由施施施施泰泰泰泰因因因因梅梅梅梅茨茨茨茨于于于于18931893年年年年提提提提出出出出的的的的分分分分析析析析交交交交流流流流电电电电路路路路的的的的符符符符号号号号法法法法（相相相相量量量量法法法法）。他他他他利利利利用用用用数数数数学学学学中中中中的的的的第第第第莫莫莫莫威威威威定定定定理理理理，用用用用复复复复数数数数的的的的模模模模和和和和辐辐辐辐角角角角来来来来代代代代表表表表有有有有正正正正弦弦弦弦量量量量的的的的效效效效值值值值（或或或或最最最最大大大大值值值值）和和和和初初初初相相相相位位位位。在在在在相相相相同同同同频频频频率率率率下下下下的的的的三三三三角角角角函函函函数数数数运运运运算算算算，就可以转化为复数的代数运算了。就可以转化为复数的代数运算了。就可以转化为复数的代数运算了。就可以转化为复数的代数运算了。29电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.2.2 电网络理论的建立 20世世纪纪初初，由由于于通通讯讯技技术术的的兴兴起起，促促进进了了电电网网络络理理论论的的研研究究。1920年年，坎坎贝贝尔尔与与瓦瓦格格纳纳研研究究了了梯梯形形结结构构的的滤滤波波电电路路。1923年，坎贝尔还提出了滤波器的设计方法。年，坎贝尔还提出了滤波器的设计方法。1924年年，福福斯斯特特提提出出了了电电感感、电电容容二二端端网网络络的的电电抗抗定定理理。此此后后便便建建立立了了由由给给定定频频率率特特性性而而设设计计电电路路的的电电网网络络综综合合理理论。论。在在电电子子管管问问世世以以后后，电电子子电电路路分分析析的的理理论论迅迅速速发发展展。1932年年瑞瑞典典科科学学家家奈奈奎奎斯斯特特提提出出了了由由反反馈馈电电路路的的开开环环传传递递函函数数的频率特性，来判断闭环系统稳定性的判据。的频率特性，来判断闭环系统稳定性的判据。30电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 19451945年年年年，美美美美国国国国伯伯伯伯德德德德出出出出版版版版了了了了网网网网络络络络分分分分析析析析和和和和反反反反馈馈馈馈放放放放大大大大器器器器一一一一书书书书，书书书书中中中中总总总总结结结结了了了了负负负负反反反反馈馈馈馈放放放放大大大大器器器器的的的的原原原原理理理理，由由由由此此此此形形形形成成成成了了了了分分分分析析析析线线线线性性性性电电电电路、控制系统的频域分析方法，并获得了广泛应用。路、控制系统的频域分析方法，并获得了广泛应用。路、控制系统的频域分析方法，并获得了广泛应用。路、控制系统的频域分析方法，并获得了广泛应用。2020世世世世纪纪纪纪中中中中期期期期以以以以后后后后电电电电子子子子计计计计算算算算机机机机的的的的出出出出现现现现，为为为为电电电电工工工工理理理理论论论论的的的的应应应应用用用用提提提提供供供供了了了了强强强强有有有有力力力力的的的的工工工工具具具具。电电电电网网网网络络络络的的的的计计计计算算算算机机机机辅辅辅辅助助助助分分分分析析析析、计计计计算算算算机机机机辅辅辅辅助助助助设设设设计计计计应应应应运运运运而而而而生生生生。电电电电工工工工理理理理论论论论与与与与其其其其他他他他学学学学科科科科的的的的理理理理论论论论相相相相互互互互借借借借鉴鉴鉴鉴，继续在新的技术进步中共同发展。继续在新的技术进步中共同发展。继续在新的技术进步中共同发展。继续在新的技术进步中共同发展。31电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.2.3 电磁场理论的建立 1919世世世世纪纪纪纪中中中中期期期期已已已已经经经经有有有有了了了了关关关关于于于于静静静静电电电电现现现现象象象象的的的的库库库库仑仑仑仑定定定定律律律律、关关关关于于于于电电电电流流流流和磁场关系的安培环路定律和法拉第电磁感应定律。和磁场关系的安培环路定律和法拉第电磁感应定律。和磁场关系的安培环路定律和法拉第电磁感应定律。和磁场关系的安培环路定律和法拉第电磁感应定律。1846184618461846年法拉第发表了一篇论文，设想光是力线振动的表现。年法拉第发表了一篇论文，设想光是力线振动的表现。年法拉第发表了一篇论文，设想光是力线振动的表现。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。他的这些论断，由英国科学家麦克斯韦所继承。他的这些论断，由英国科学家麦克斯韦所继承。他的这些论断，由英国科学家麦克斯韦所继承。麦克斯韦在麦克斯韦在麦克斯韦在麦克斯韦在18561856年发表年发表年发表年发表“论法拉第力线论法拉第力线论法拉第力线论法拉第力线”一文，对力线进一文，对力线进一文，对力线进一文，对力线进行了严格的数学描述；行了严格的数学描述；行了严格的数学描述；行了严格的数学描述；1861186118611861年麦克斯韦发表的年麦克斯韦发表的年麦克斯韦发表的年麦克斯韦发表的“论物理力线论物理力线论物理力线论物理力线”的重要论文中提出的重要论文中提出的重要论文中提出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了电位移的概念，并称电位移矢量的时间导数为了电位移的概念，并称电位移矢量的时间导数为了电位移的概念，并称电位移矢量的时间导数为“位移电位移电位移电位移电流流流流”密度。密度。密度。密度。32电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 18641864年年年年麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦发发发发表表表表了了了了“电电电电磁磁磁磁场场场场的的的的动动动动力力力力学学学学”论论论论文文文文，描描描描述述述述电电电电磁磁磁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。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。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。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。1887188718871887年赫兹用实验证明了电磁波的存在，使麦克斯韦的预言年赫兹用实验证明了电磁波的存在，使麦克斯韦的预言年赫兹用实验证明了电磁波的存在，使麦克斯韦的预言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，成为电工得到证实。他的电磁场理论具有相当普遍的意义，成为电工得到证实。他的电磁场理论具有相当普遍的意义，成为电工得到证实。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。技术、无线电技术的基本依据。技术、无线电技术的基本依据。技术、无线电技术的基本依据。5050年代以来，由于电子计算机的发展，有了求数值解的有年代以来，由于电子计算机的发展，有了求数值解的有年代以来，由于电子计算机的发展，有了求数值解的有年代以来，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、力手段，扩大了可以进行计算的问题的范围，电路仿真技术、力手段，扩大了可以进行计算的问题的范围，电路仿真技术、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。进步而不断的发展。进步而不断的发展。进步而不断的发展。33电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 计算机产业的飞速发展计算机产业的飞速发展n n第一代：第一代：第一代：第一代：1946 19581946 1958，电子管，电子管，电子管，电子管n n第二代：第二代：第二代：第二代：1959 19631959 1963，晶体管，晶体管，晶体管，晶体管n n第三代：第三代：第三代：第三代：1964 19701964 1970，集成电路，集成电路，集成电路，集成电路n n第四代：第四代：第四代：第四代：19711971现在，大规模、超大规模集成电路现在，大规模、超大规模集成电路现在，大规模、超大规模集成电路现在，大规模、超大规模集成电路n n发展趋势：微型化、巨型化、网络化、智能化发展趋势：微型化、巨型化、网络化、智能化发展趋势：微型化、巨型化、网络化、智能化发展趋势：微型化、巨型化、网络化、智能化n n目前世界上计算机的最快速度：数目前世界上计算机的最快速度：数目前世界上计算机的最快速度：数目前世界上计算机的最快速度：数10001000万亿次万亿次万亿次万亿次/秒秒秒秒34电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 中国设计制造的超级计算机中国设计制造的超级计算机n n时间：时间：时间：时间：2009.102009.10n n名称：天河一号名称：天河一号名称：天河一号名称：天河一号n n计算速度：计算速度：计算速度：计算速度：12061206万亿万亿万亿万亿/秒秒秒秒n n设计制造单位：国防科技大学设计制造单位：国防科技大学设计制造单位：国防科技大学设计制造单位：国防科技大学35电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.3.33.3.3 自动控制技术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，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。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一个关于状态变量X(t)X(t)，控制变量控制变量U(t)U(t)和时间和时间t t的函数的积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。象状态方程、状态的初始条件等。36电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.3.43.3.4 能源新技术能源新技术 能源是经济和社会发展的生要的物质基础。现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，随代社会生产的不断发展，随 着机械化、电气化、自着机械化、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。越来越大。能源和人民的衣、食、住、行等密切相关。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。能源问题直接关系到国民经济的发展、社会的进步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。和人民生活水平的提高。37电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA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先进技术 、洁净煤技术洁净煤技术 先进燃烧和污染处理技术先进燃烧和污染处理技术 煤的气化与液化煤的气化与液化 、核能新技术核能新技术 新一代压水堆核电站新一代压水堆核电站 核燃料的增殖快中子增殖反应堆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 受控热核聚变能受控热核聚变能38电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA 、新能源技术新能源技术 太阳能新技术太阳能新技术 风能技术风能技术 物质能利用新技术物质能利用新技术 波浪能和潮汐能波浪能和潮汐能 氢能利用技术氢能利用技术 、节能新技术、节能新技术、节能新技术、节能新技术 余热回收利用技术余热回收利用技术余热回收利用技术余热回收利用技术 电子电力技术电子电力技术电子电力技术电子电力技术 高效电动机高效电动机高效电动机高效电动机 高效节能照明技术高效节能照明技术高效节能照明技术高效节能照明技术 远红外线加热技术远红外线加热技术远红外线加热技术远红外线加热技术 电热膜加热技术电热膜加热技术电热膜加热技术电热膜加热技术 39电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.3.53.3.5 激光技术激光技术 激光器的发明是激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。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、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、军事和科学技术精密测量、通讯、信息处理、医学、军事和科学技术研究等领域研究等领域 40电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.4 3.4 新理论、新材料对电工技术的影响新理论、新材料对电工技术的影响 上世纪上世纪上世纪上世纪4040年代末，半导体三极管的发明标志着电子技术进年代末，半导体三极管的发明标志着电子技术进年代末，半导体三极管的发明标志着电子技术进年代末，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，在体入了一个新的阶段，很快就出现了多种半导体器件，在体入了一个新的阶段，很快就出现了多种半导体器件，在体入了一个新的阶段，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。使电气积小、重量轻、功耗低等方面显示出优越的性能。使电气积小、重量轻、功耗低等方面显示出优越的性能。使电气积小、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。工程中的控制设备得到更进一步升级。工程中的控制设备得到更进一步升级。工程中的控制设备得到更进一步升级。在在在在40404040年代末电子计算机的发明是科技进步新的里程碑，年代末电子计算机的发明是科技进步新的里程碑，年代末电子计算机的发明是科技进步新的里程碑，年代末电子计算机的发明是科技进步新的里程碑，50505050年代末研究出多种计算机语言，使得计算机的使用日趋方年代末研究出多种计算机语言，使得计算机的使用日趋方年代末研究出多种计算机语言，使得计算机的使用日趋方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便。高速、大容量的电子计算机的作用已远不限于用作快便。高速、大容量的电子计算机的作用已远不限于用作快便。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、管理速的计算工具，而是在电力系统的生产、科学研究、管理速的计算工具，而是在电力系统的生产、科学研究、管理速的计算工具，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。等方面都成为技术进步的非常有力的手段。等方面都成为技术进步的非常有力的手段。等方面都成为技术进步的非常有力的手段。41电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA3.4.1 3.4.1 2020世纪下半叶对电工技术有影响的研究成果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，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。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、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。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。具有重大意义。42电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA核能发电核能发电核能发电核能发电磁流体发电磁流体发电磁流体发电磁流体发电风能发电风能发电风能发电风能发电太阳能发电太阳能发电太阳能发电太阳能发电煤气煤气煤气煤气蒸汽联合发电蒸汽联合发电蒸汽联合发电蒸汽联合发电其它新能源其它新能源其它新能源其它新能源3.4.23.4.2 2121世纪上半叶电工技术的发展趋势世纪上半叶电工技术的发展趋势3.4.2.1 能源、电力能源、电力43电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA磁浮列车磁浮列车磁流体推进船磁流体推进船电动车电动车3.4.2.2 交通运输交通运输44电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA超导电力电缆超导电力电缆超导限流器超导限流器超导储能超导储能超导变压器、超导直流电机超导变压器、超导直流电机3.4.2.3 超导电工超导电工45电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA思考题思考题思考题思考题3.1 3.1 在电工技术的初期发展过程中，有哪些科学在电工技术的初期发展过程中，有哪些科学在电工技术的初期发展过程中，有哪些科学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？家分别作出了什么贡献？家分别作出了什么贡献？家分别作出了什么贡献？3.2 3.2 电工理论包含哪几个方面？它对电工技术的电工理论包含哪几个方面？它对电工技术的电工理论包含哪几个方面？它对电工技术的电工理论包含哪几个方面？它对电工技术的 发展有何作用？发展有何作用？发展有何作用？发展有何作用？3.3 3.3 人类在对电磁现象的研究过程中，发现了哪人类在对电磁现象的研究过程中，发现了哪人类在对电磁现象的研究过程中，发现了哪人类在对电磁现象的研究过程中，发现了哪 些主要定律？些主要定律？些主要定律？些主要定律？3.4 3.4 在新技术革命过程中取得了哪些主要成果？在新技术革命过程中取得了哪些主要成果？在新技术革命过程中取得了哪些主要成果？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？其中哪些成果对电气工程有何影响？其中哪些成果对电气工程有何影响？其中哪些成果对电气工程有何影响？246电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA电气工程电气工程信息化信息化信息获取与处理信息获取与处理信息传输信息传输信息应用信息应用信息系统安全信息系统安全网络化网络化电力网络电力网络信息通信网络信息通信网络工业控制网络工业控制网络SCADA/EMSDMS/DSM/GIS数字化数字化数字化测控数字化测控数字信号处理数字信号处理数字仿真分析数字仿真分析数字电力系统数字电力系统楼宇智能化楼宇智能化智能建筑供配电智能建筑供配电智能建筑通讯智能建筑通讯智能建筑防盗智能建筑防盗综合布线系统综合布线系统电气驱动与电气驱动与控制控制“线控线控线控线控”汽车汽车汽车汽车全电舰船全电舰船全电舰船全电舰船多多多多(全全全全)电飞机电飞机电飞机电飞机材料科学材料科学超导材料超导材料超导材料超导材料半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料永磁材料永磁材料永磁材料永磁材料三、电气科学的发展前景三、电气科学的发展前景生命科学生命科学生物医学电磁技术生物医学电磁技术生物医学电磁技术生物医学电磁技术磁共振成像技术磁共振成像技术磁共振成像技术磁共振成像技术电工高新技术电工高新技术磁悬浮技术磁悬浮技术磁流体发电技术磁流体发电技术47电气工程导论电气工程导论 NORTH UNIVERSITY OF CHINA三、电气科学的发展前景三、电气科学的发展前景(续）续）近年来的研究热点有：近年来的研究热点有：近年来的研究热点有：近年来的研究热点有：电力大系统、电力传动系统及电力电子变流系统中的各类问电力大系统、电力传动系统及电力电子变流系统中的各类问电力大系统、电力传动系统及电力电子变流系统中的各类问电力大系统、电力传动系统及电力电子变流系统中的各类问题；题；题；题；生物、医学与健康领域中的电磁方法与新技术；生物、医学与健康领域中的电磁方法与新技术；生物、医学与健康领域中的电磁方法与新技术；生物、医学与健康领域中的电磁方法与新技术；气体放电及多相混合体放电问题；气体放电及多相混合体放电问题；气体放电及多相混合体放电问题；气体放电及多相混合体放电问题；基于新材料、新原理或为开拓新应用领域的电机、电器；基于新材料、新原理或为开拓新应用领域的电机、电器；基于新材料、新原理或为开拓新应用领域的电机、电器；基于新材料、新原理或为开拓新应用领域的电机、电器；反映各类电器设备电器或绝缘性能演变的多因子规律及其观反映各类电器设备电器或绝缘性能演变的多因子规律及其观反映各类电器设备电器或绝缘性能演变的多因子规律及其观反映各类电器设备电器或绝缘性能演变的多因子规律及其观察和测量技术；察和测量技术；察和测量技术；察和测量技术；电能质量的理论及其测量、控制；电能质量的理论及其测量、控制；电能质量的理论及其测量、控制；电能质量的理论及其测量、控制；可再生能源发电、电能存储和电力变换技术；可再生能源发电、电能存储和电力变换技术；可再生能源发电、电能存储和电力变换技术；可再生能源发电、电能存储和电力变换技术；现代测量原理及传感技术；现代测量原理及传感技术；现代测量原理及传感技术；现代测量原理及传感技术；脉冲功率技术与低温等离子体应用基础；脉冲功率技术与低温等离子体应用基础；脉冲功率技术与低温等离子体应用基础；脉冲功率技术与低温等离子体应用基础；电力电磁兼容问题以及复杂电力系统的经济安全运行、控制电力电磁兼容问题以及复杂电力系统的经济安全运行、控制电力电磁兼容问题以及复杂电力系统的经济安全运行、控制电力电磁兼容问题以及复杂电力系统的经济安全运行、控制及规划的理论及其应用。及规划的理论及其应用。及规划的理论及其应用。及规划的理论及其应用。48电气工程导论电气工程导论