浅谈电气工程学科发展的历史展望

【摘 要】梳理了电气工程技术从电磁学理论的建立到新技术革命时期电气工程技术的进步这样一个发展脉络，介绍了电气学科的形成与发展，并分析了电气工程技术的发展趋势。

【关键词】电气工程技术；电气学科；发展史

1 电气工程技术的发展史

电气工程（Electrical Engineering）是现代科技领域核心学科之一，传统的电气工程定义为用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和。21世纪的电气工程概念已经远远超出这一范畴，如今电气工程涵盖了几乎所有与电子、光子有关的工程行为。电气工程的发展程度直接体现了国家的科技进步水平，因此，电气工程的教育和科研在发达国家大学中始终占据重要地位。

1.1 电磁学理论的建立及通讯技术的发展

大自然中的雷电使人类对电有了最早、最朴素的认识，天然磁石吸铁是人类对磁现象的最早观察，然而，人类对电磁现象的研究始于16世纪的英国，1663年德国科学家盖利克发明了摩擦起电的仪器，1729年英国科学家发现电荷可以通过金属传导等等，这是人类对电的早期实验，之后又出现了一系列具有里程碑意义的发现与发明。

（1）库仑定律。1785年法国物理学家库仑通过扭秤测量静电力和磁力总结出：两个电荷之间的作用力与它们间距离的平方成反比，与它们所带电荷量的乘积成正比，这就是著名的库仑定律。这一发现的历史意义在于它标志着人类对电磁现象的研究从定性阶段进入了定量阶段。

（2）“伏打电池”。1799年意大利物理学家伏特经过反复实验发现把任何潮湿物体放到两个不同金属之间都会产生电流，一年后伏特发明了世界上第一个电池，自此人类对电的研究由静电扩大到了动电，开辟了电学研究的新领域。

1.2 电工技术的初期发展

人类社会发展历程中经历了三次工业革命，对人类的进步起到了巨大的作用。第一次工业革命从18世纪中叶到19世纪中叶，以瓦特发明的蒸汽机为标志，以机械化为特征，中心在英国；第二次工业革命从19世纪后半期到20世纪中叶，以工业生产电气化为主要标志，其成果是电力、钢铁、化工“三大技术”与汽车、飞机和无线电通信“三大文明”，其中心在美国和德国；第三次工业革命从20世纪中叶到21世纪初，以社会生产、生活信息化为特点，又叫新技术革命。第二次工业革命就是从电工技术初创和应用开始的。

（1）直流发电机的诞生。1831年英国企业家研制出了史上第一台发电机――蒸汽动力永磁发电机；1832年法国科学家匹克斯发明了世界上第一台直流发动机；1866年西门子发明了自激式励磁直流发电机；1870年格拉姆发明了实用自激直流发电机，结构可靠，电流稳定，输出功率大，被各国广泛采用作为照明灯电源。

（2）远距离输电和电力工业技术体系的初步建立。1875年法国巴黎火车站建成世界上最早的一座火力发电厂。爱迪生不仅发明了灯泡，他还在1882年建立了美国第一家直流发电厂，装有6台直流发电机，通过电缆输送照明用电，不过当时的最大输送距离只有1.6km。之后爱迪生还建立了一座水电站，形成了电力工业体系的雏形。

1.3 电工理论的建立

（1）电路理论的建立。关于电路的早期研究有：1778年伏特提出了电容的概念，给出了导体上储存电荷的计算方法Q=CU；1826年欧姆发表了欧姆定律；1831年法拉第提出了电磁感应定律；1832年亨利提出了磁通量计算公式。

1845年德国物理学家基尔霍夫提出了关于任意电路中电流、电压关系的基本定律：电流定律（任意时刻电路中任何一个节点的各条支路电流的代数和为零）；电压定律（任何时刻电路中任意一个闭合回路的各元件电压的代数和为零）。这两个定律发展了欧姆定律，奠定了电路系统分析的基础。

（2）电网络理论的建立。通信技术的兴起推动了电网络理论的发展。1924年，福斯特给出了电感和电容二端网络的电抗定理，建立了由给定频率特性设计电路的电网络理论。

1945年美国科学家伯德总结出了分析线性电路和控制系统的频域分析方法。1953年梅森创建了采用信号流图分析复杂回馈系统的方法，并被广泛应用。20世纪50年代美国科学家达默制成了第一批集成电路，从此电路理论中增加了对含源器件的电路分析和综合。20世纪70年代在L.O.Chua等科学家的努力下，器件建模理论逐渐日趋完善。20世纪中期计算机的出现使电网络的计算机辅助分析和设计成为电路理论研究中的基本手段。

2 电气学科的形成与发展

按我国高等教育学科划分，电气信息学科类属工学门类（门类编号08），其下设五个一级学科：电气工程（一级学科编号0808）、电子科学与技术（0809）、信息与通信工程（0810）、控制科学与工程（0811）和计算机科学与技术（0812）。这五个学科有着相同的学科基础，都是研究电磁现象及其应用的基础学科与技术工程的综合，电能的突出优点在于：它既是易于传输的工业动力，又是非常可靠的信息载体。电子科学与技术、信息与通信工程和计算机科学与技术都是从电类专业派生出来的弱电学科，在19世纪末电工科学技术已形成了电力与电信两大分支。

国外发达国家电气工程学科的发展呈现以下趋势：

（1）在学科中融入大量信息技术知识。在全球信息化的当今，信息技术以指数速度进步，它曾对电气工程学科的发展起到了巨大的推动作用，还将为电气工程领域的技术创新提供工具与技术支持，对电气学科的发展产生了决定性作用。国外发达国家的著名大学（如耶鲁大学、麻省理工学院等）大都把电气工程、通信工程、计算机工程放在同一学院，以利于在电气工程学科中融入大量的信息技术知识。

（2）与其他学科不断交叉融合，拓展了研究领域，大量的研究都是在跨学科领域开展的。

（3）与企业联系密切，科技成果转换能力强，引领产业技术更新。

3 电气技术的发展趋势

与电气工程学科相关的产业主要有电力工业、电气装备制造业以及几乎所有使用电力的行业，电气技术的发展与应用也主要集中在这些行业。

3.1 可再生能源技术

1995年全球可再生能源仅占一次能源的18%，预测到2050年可再生能源要占一次能源的22%，21世纪，光伏技术、风电技术、生物质发电技术等得到了快速发展。下面着重介绍人类的未来能源――氢能。科学家们一直致力于研究把氢能作为人类未来的能源，氢能有其他能源无与伦比的优势：

（1）清洁。其反应后的生成物为水和氮化氢，对环境没有污染。

（2）储量丰富。地球上的海水所含的氢用来发电就够人类用数亿年。

（3）热值高。单位重量的发热量叫热值，氢的热值是汽油的3倍，煤炭的4倍。现在世界上很多国家正在斥巨资研究这一能源，但目前还处在实验室阶段，距工业应用还有一段距离。

3.2 输电信技术

超导技术在电气工程中的广泛应用已成为发展趋势。

（1）超导储能系统。将电能转换为电磁能，利用超导线圈储存起来。超导储能系统是除电池储能系统之外的又一储能系统，其使用将提高电网的安全性。

（2）超导故障限流器。利用超导体超导与正常状态的转变特性，快速限制电力系统故障短路电流，保障电网安全。

（3）超导大容量电缆。可大大降低输电过程中的电耗，提高能源效率。

灵活交流输电技术（FACTS）。用大功率电子器实现对电力系统电压、参数、功率、相位角等的实时调节控制，以实现电力系统的安全稳定性和输电过程中的能耗。

3.3 高速磁悬浮列车

磁悬浮技术实现了列车脱离地面、不带燃料的“飞行”，德、日两国在这方面的技术领先，最高时速已达到每小时550公里。高速磁悬浮列车是综合运用磁悬浮、低温超导、计算机控制与信息技术等高新技术的成果。