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

　　關(guān)鍵詞：電氣工程技術(shù);電氣學科;發(fā)展史

　　一、電氣工程技術(shù)的發(fā)展史

　　電氣工程(Electrical Engineering)是現(xiàn)代科技領(lǐng)域核心學科之一，傳統(tǒng)的電氣工程定義為用于創(chuàng)造產(chǎn)生電氣與電子系統(tǒng)的有關(guān)學科的總和。21世紀的電氣工程概念已經(jīng)遠遠超出這一范疇，如今電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關(guān)的工程行為。電氣工程的發(fā)展程度直接體現(xiàn)了國家的科技進步水平，因此，電氣工程的教育和科研在發(fā)達國家大學中始終占據(jù)重要地位。

　　1.電磁學理論的建立及通訊技術(shù)的發(fā)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(xiàn)象的最早觀察，然而，人類對電磁現(xiàn)象的研究始于16世紀的英國，1663年德國科學家蓋利克發(fā)明了摩擦起電的儀器，1729年英國科學家發(fā)現(xiàn)電荷可以通過金屬傳導等等，這是人類對電的早期實驗，之后又出現(xiàn)了一系列具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明。

　　(1)庫侖定律。1785年法國物理學家?guī)靵鐾ㄟ^扭秤測量靜電力和磁力總結(jié)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(fā)現(xiàn)的歷史意義在于它標志著人類對電磁現(xiàn)象的研究從定性階段進入了定量階段。

　　(2)“伏打電池”。1799年意大利物理學家伏特經(jīng)過反復實驗發(fā)現(xiàn)把任何潮濕物體放到兩個不同金屬之間都會產(chǎn)生電流，一年后伏特發(fā)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，開辟了電學研究的新領(lǐng)域。

　　(3)奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)和安培右手定則。1820年奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)通電鉑絲周圍的小磁針發(fā)生輕微晃動，之后他經(jīng)過反復實驗證實了這一發(fā)現(xiàn)。其后安培進行了更深入的研究，提出了右手定則，發(fā)現(xiàn)了電流方向與磁針轉(zhuǎn)動方向之間的關(guān)系。安培還通過實驗發(fā)現(xiàn)了兩個通電導體和兩個通電線圈之間相互作用的規(guī)律，從而奠定了電動力學的基礎(chǔ)。

　　(4)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)。英國科學家法拉第是第一個成功完成磁生電實驗的人，并歸納出產(chǎn)生感應(yīng)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(wěn)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(xiàn)象叫做“電磁感應(yīng)”。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使生產(chǎn)電成為可能，至今，發(fā)電機、電動機、變壓器都是運用電磁感應(yīng)原理工作的。

　　(5)麥克斯韋建立電磁場理論。英國數(shù)學家、物理學家麥克斯韋總結(jié)了前人的一系列成果，用數(shù)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(zhì)上的統(tǒng)一，并預(yù)言了電磁波的存在。1873年他出版的電磁場理論經(jīng)典著作《電磁學通論》是里程碑式的自然科學理論巨著。

　　任何科學發(fā)明與發(fā)現(xiàn)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信揭示的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，19世紀通信技術(shù)取得了突破性成果，先后發(fā)明了有線電報、有線電話和無線通信。

　　2.電工技術(shù)的初期發(fā)展

　　人類社會發(fā)展歷程中經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，對人類的進步起到了巨大的作用。第一次工業(yè)革命從18世紀中葉到19世紀中葉，以瓦特發(fā)明的蒸汽機為標志，以機械化為特征，中心在英國;第二次工業(yè)革命從19世紀后半期到20世紀中葉，以工業(yè)生產(chǎn)電氣化為主要標志，其成果是電力、鋼鐵、化工“三大技術(shù)”與汽車、飛機和無線電通信“三大文明”，其中心在美國和德國;第三次工業(yè)革命從20世紀中葉到21世紀初，以社會生產(chǎn)、生活信息化為特點，又叫新技術(shù)革命。第二次工業(yè)革命就是從電工技術(shù)初創(chuàng)和應(yīng)用開始的。

　　(1)直流發(fā)電機的誕生。1831年英國企業(yè)家研制出了史上第一臺發(fā)電機——蒸汽動力永磁發(fā)電機;1832年法國科學家匹克斯發(fā)明了世界上第一臺直流發(fā)動機;1866年西門子發(fā)明了自激式勵磁直流發(fā)電機;1870年格拉姆發(fā)明了實用自激直流發(fā)電機，結(jié)構(gòu)可靠，電流穩(wěn)定，輸出功率大，被各國廣泛采用作為照明燈電源。

　　(2)遠距離輸電和電力工業(yè)技術(shù)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(fā)電廠。愛迪生不僅發(fā)明了燈泡，他還在1882年建立了美國第一家直流發(fā)電廠，裝有6臺直流發(fā)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。之后愛迪生還建立了一座水電站，形成了電力工業(yè)體系的雛形。

　　(3)交流發(fā)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(shù)。1885年，英國工程師菲爾安基設(shè)計的第一座交流單相發(fā)電站建成。同年，美國人威斯汀豪率領(lǐng)的團隊完成了交流發(fā)電、供電系統(tǒng)，并創(chuàng)建了交流配電網(wǎng)。1883年，美籍電氣工程師特斯拉發(fā)明了世界上第一臺感應(yīng)電動機，5年后他又發(fā)明了兩相異步電動機和交流電傳輸系統(tǒng)。1888年，俄國工程師德布羅夫斯基和德爾伏發(fā)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(fā)電機，并建成了第一條三相交流輸電線路。自此，三相異步電動機得到了廣泛應(yīng)用，電能逐步取代了蒸汽成為動力源，電力工業(yè)得到了迅速發(fā)展。

　　3.電工理論的建立

　　(1)電路理論的建立。關(guān)于電路的早期研究有：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(fā)表了歐姆定律;1831年法拉第提出了電磁感應(yīng)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(guān)于任意電路中電流、電壓關(guān)系的基本定律：電流定律(任意時刻電路中任何一個節(jié)點的各條支路電流的代數(shù)和為零);電壓定律(任何時刻電路中任意一個閉合回路的各元件電壓的代數(shù)和為零)。這兩個定律發(fā)展了歐姆定律，奠定了電路系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。

　　1853年英國物理學家湯姆遜推導出了電路震蕩方程，并得出了萊頓瓶發(fā)電過程中電流在反復震蕩且不斷衰減的結(jié)論，并計算出震蕩頻率與R、L、C參數(shù)之間的關(guān)系，奠定了動態(tài)電路分析的基礎(chǔ)。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(fā)電機原理、基爾霍夫建立的長距離架空線路發(fā)布參數(shù)電路模型、亥維賽德找出的求解電路暫態(tài)過程運算法、傅立葉用數(shù)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(wǎng)絡(luò)理論的建立。通信技術(shù)的興起推動了電網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展。1924年，福斯特給出了電感和電容二端網(wǎng)絡(luò)的電抗定理，建立了由給定頻率特性設(shè)計電路的電網(wǎng)絡(luò)理論。

　　1945年美國科學家伯德總結(jié)出了分析線性電路和控制系統(tǒng)的頻域分析方法。1953年梅森創(chuàng)建了采用信號流圖分析復雜回饋系統(tǒng)的方法，并被廣泛應(yīng)用。20世界50年代美國科學家達默制成了第一批集成電路，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(xiàn)使電網(wǎng)絡(luò)的計算機輔助分析和設(shè)計成為電路理論研究中的基本手段。

　　4.新技術(shù)革命對電氣工程技術(shù)的推動

　　20世紀中葉開始的第三次技術(shù)革命又稱為新技術(shù)革命，以核能、宇航和電子計算機這三大技術(shù)為主要標志。這個時期的主要理論是信息論、系統(tǒng)論和控制論，這三大理論的創(chuàng)立為通信工程技術(shù)和現(xiàn)代科學技術(shù)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(shù)的推動。自19世紀第一臺計算機問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)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信息時代。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(chǎn)的第二代計算機用晶體管替代了真空電子管，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(lǐng)域。1964年～1970年生產(chǎn)的第三代計算機用集成電路替代了晶體管，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(chǎn)的第四代計算機使用了超大規(guī)模集成電路，實現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡(luò)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(shù)的發(fā)展，形成了計算機管理生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　(2)電子信息技術(shù)的發(fā)展。電子信息技術(shù)是計算機技術(shù)和電信技術(shù)相結(jié)合而形成的技術(shù)手段。20世紀通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，人類社會生活也由此發(fā)生了巨大變革，人類從此進入信息時代。

　　1920年人們發(fā)現(xiàn)電離層對無線電短波有反射作用。1935年人們發(fā)現(xiàn)了雷達并廣泛應(yīng)用于軍事和民用通信領(lǐng)域。1964年美國發(fā)射了第一顆地球同步靜止軌道通信衛(wèi)星，突破了大氣層對無線電波的屏蔽，實現(xiàn)了宇宙范圍的無線電通信。20世紀70年代計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立使人們開始通過互聯(lián)網(wǎng)獲取信息。20世紀80年代以后尋呼機和移動電話逐步得到廣泛使用，現(xiàn)今信息服務(wù)業(yè)已成為世界上發(fā)展最快的新興行業(yè)之一。

　　電氣工程技術(shù)發(fā)展史再次印證了這樣兩個真理：一是任何理論的創(chuàng)立和技術(shù)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(xiàn)，特別是在學科相互融合交叉的今天。二是科學技術(shù)的每一次重大突破都會導致生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展和人類社會的巨大進步，科技是第一生產(chǎn)力，創(chuàng)新是社會發(fā)展的推動力。

　　二、電氣學科的形成與發(fā)展

　　按我國高等教育學科劃分，電氣信息學科類屬工學門類(門類編號08)，其下設(shè)五個一級學科：電氣工程(一級學科編號0808)、電子科學與技術(shù)(0809)、信息與通信工程(0810)、控制科學與工程(0811)和計算機科學與技術(shù)(0812)。這五個學科有著相同的學科基礎(chǔ)，都是研究電磁現(xiàn)象及其應(yīng)用的基礎(chǔ)學科與技術(shù)工程的綜合，電能的突出優(yōu)點在于：它既是易于傳輸?shù)墓I(yè)動力，又是非?？煽康男畔⑤d體。電子科學與技術(shù)、信息與通信工程和計算機科學與技術(shù)都是從電類專業(yè)派生出來的弱電學科，在19世紀末電工科學技術(shù)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(shè)五個二級學科：電機與電器(二級學科編號080801)、電力系統(tǒng)及其自動化(080802)、高電壓與絕緣技術(shù)(080803)、電力電子與電力傳動(080804)、電工理論與新技術(shù)(080805)，電氣工程包含的專業(yè)基礎(chǔ)理論有電路原理、模擬電子、數(shù)字電子、微機原理與接口技術(shù)、單片機原理、自動控制原理、電磁理論、MATLAB仿真等。專業(yè)理論有電力系統(tǒng)及其暫態(tài)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(yè)供電、電力市場等。

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

　　我國的電氣工程始于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?？圃O(shè)立了電訊門，即我國最早的無線電專業(yè)，如今的電子信息及計算機專業(yè)群都是由此發(fā)展演化而來的。1932年，清華大學設(shè)置了電機系。建國后，我國建立了一大批以工科為主的多科性大學，其中大多設(shè)立了電機工程系。1977年以后，大部分高校的“電機工程系”陸續(xù)更名為“電氣工程系”，近幾年來，部分高校又把“電氣工程系”發(fā)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(nèi)涵有很大區(qū)別，我國大學一般都是強弱電分開，即電氣類與電信類分設(shè)在不同的學院。

　　100多年以來，電氣工程學科已發(fā)展成為覆蓋多門類交叉學科、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊的完善的學科，形成了強弱電結(jié)合、軟硬件結(jié)合、機電結(jié)合的學科特點。

　　國外發(fā)達國家電氣工程學科的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢：

　　(1)在學科中融入大量信息技術(shù)知識。在全球信息化的當今，信息技術(shù)以指數(shù)速度進步，它曾對電氣工程學科的發(fā)展起到了巨大的推動作用，還將為電氣工程領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供工具與技術(shù)支持，對電氣學科的發(fā)展產(chǎn)生了決定性作用。國外發(fā)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、通信工程、計算機工程放在同一學院，以利于在電氣工程學科中融入大量的信息技術(shù)知識。

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

　　(3)與企業(yè)聯(lián)系密切，科技成果轉(zhuǎn)換能力強，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)更新。

　　三、電氣技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　與電氣工程學科相關(guān)的產(chǎn)業(yè)主要有電力工業(yè)、電氣裝備制造業(yè)以及幾乎所有使用電力的行業(yè)，電氣技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也主要集中在這些行業(yè)。

　　1.可再生能源技術(shù)

　　1995年全球可再生能源僅占一次能源的18%，預(yù)測到2050年可再生能源要占一次能源的22%，21世紀，光伏技術(shù)、風電技術(shù)、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)等得到了快速發(fā)展。下面著重介紹人類的未來能源——氫能?？茖W家們一直致力于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(yōu)勢：

　　(1)清潔。其反應(yīng)后的生成物為水和氮化氫，對環(huán)境沒有污染。

　　(2)儲量豐富。地球上的海水所含的氫用來發(fā)電就夠人類用數(shù)億年。

　　(3)熱值高。單位重量的發(fā)熱量叫熱值，氫的熱值是汽油的3倍，煤炭的4倍。現(xiàn)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(yè)應(yīng)用還有一段距離。

　　2.輸電信技術(shù)

　　超導技術(shù)在電氣工程中的廣泛應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢。

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

　　(2)超導故障限流器。利用超導體超導與正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)變特性，快速限制電力系統(tǒng)故障短路電流，保障電網(wǎng)安全。

　　(3)超導大容量電纜?？纱蟠蠼档洼旊娺^程中的電耗，提高能源效率。

　　靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)。用大功率電子器實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)、功率、相位角等的實時調(diào)節(jié)控制，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和輸電過程中的能耗。

　　3.高速磁懸浮列車

　　磁懸浮技術(shù)實現(xiàn)了列車脫離地面、不帶燃料的“飛行”，德、日兩國在這方面的技術(shù)領(lǐng)先，最高時速已達到每小時550公里。高速磁懸浮列車是綜合運用磁懸浮、低溫超導、計算機控制與信息技術(shù)等高新技術(shù)的成果。