電氣工程簡史

1、淺談電氣工程簡史論文摘要：梳理了電氣工程技術(shù)從古代電磁學(xué)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(xué)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。論文關(guān)鍵詞：電氣工程技術(shù)；電氣學(xué)科；發(fā)展史1中國古代的電磁學(xué)在古代中國，大約在春秋末期(約前四五世紀(jì))成書的管子·地數(shù)管、戰(zhàn)國時期的鬼谷子、戰(zhàn)國末期的呂氏春秋等，都曾記述了天然磁石及其吸鐵現(xiàn)象，記述了世界上最古老的指南針“司南”。漢代王充在其著作論衡中對世界上最古老的指南針“司南”作了進一步詳細(xì)的記述，他寫道：“司南之杓，投之以地，其柢指南?！睗h代初期，已有玳瑁、玻珀經(jīng)摩擦吸引輕小物體的記載。晉代張華(232

2、-300)曾發(fā)現(xiàn)用梳子梳理頭發(fā)和解脫絲綢毛制衣服時的起電現(xiàn)象，他看到靜電火花，聽到放電的噼啪聲。中國宋代靜磁學(xué)取得當(dāng)時世界上的最好成就。沈括(10331097)和寇宗爽都講到了人工磁化材料的方法，即將鐵針與磁石摩擦即可獲得磁性。沈括在夢溪筆談(卷廿四)中寫道：“方家以磁石摩鐵峰，則能指南，然常微偏東，不全南也?！边@是世界上最早的關(guān)于地磁偏角的文字記載。對世界文明有重要影響的指南針是中國古代人的發(fā)明。沈括指出了4種指南針的安放辦法，即水浮水、指甲法、碗唇法、絲懸法。中國還是最早將指南針用于航海的國家。南宋后，羅盤在航海中普遍使用，約12世紀(jì)末13世紀(jì)初中國指南針由海路傳入阿拉伯，又由阿拉伯傳到歐

3、洲。2西方世界的電磁學(xué)發(fā)展靜電和靜磁現(xiàn)象很早就被人類發(fā)現(xiàn)，由于摩擦起電現(xiàn)象，英文中“電”的語源來自希臘文“琥珀”一詞。遠(yuǎn)在公元前2750年，古埃及人就已經(jīng)知道發(fā)電魚（electric fish）會發(fā)出電擊。這些魚被稱為“尼羅河的雷使者”，是所有其它魚的保護者。大約兩千五百年之后，希臘人、羅馬人，阿拉伯自然學(xué)者和阿拉伯醫(yī)學(xué)者，才又出現(xiàn)關(guān)于發(fā)電魚的記載。古代羅馬醫(yī)生Scribonius Largus也在他的大作Compositiones Medicae中，建議患有像痛風(fēng)或頭疼一類病痛的病人，去觸摸電鰩，也許強力的電擊會治愈他們的疾病。阿拉伯人可能是最先了解閃電本質(zhì)的族群。他們也可能比其它族群都先認(rèn)

4、出電的其它來源。早于15世紀(jì)以前，阿拉伯人就創(chuàng)建了“閃電”的阿拉伯字“raad”，并將這字用來稱呼電鰩。在古希臘及地中海區(qū)域的古老文化里，很早就有文字記載，將琥珀棒與貓毛摩擦后，會吸引羽毛一類的物質(zhì)。西元前600年左右，古希臘的哲學(xué)家泰勒斯（Thales, 640-546B.C.）做了一系列關(guān)于靜電的觀察。從這些觀察中，他認(rèn)為摩擦使琥珀變得磁性化。這與礦石像磁鐵礦的性質(zhì)迥然不同；磁鐵礦天然地具有磁性。英國人馬里古特對磁的實驗工作，是關(guān)于磁現(xiàn)象研究工作的萌芽。一直到了16世紀(jì)，歐洲工藝、航海、軍工在各國普遍得到新的發(fā)展，對此起了特別重大推動作用的是中國的火藥、造紙術(shù)、印刷術(shù)和指南針等四大發(fā)明的傳

5、入。3論磁石第一個從理論高度來研究電和磁，從而提出了比較系統(tǒng)的初步理論的人是英國的吉爾伯特(15441603)，在16世紀(jì)末發(fā)表的論磁石一書中記述了他對天然磁石和地球磁場的研究。其中著名的是“小地球”實驗。他發(fā)現(xiàn)，在天然磁石球的作用下，小磁針的行為與地球上的指南針極為相似。由此吉爾伯特聯(lián)想到地球可能是一塊大磁石，它與指針之間的同極相斥、異極相吸的作用引起了指南針的朝南、北方向的偏轉(zhuǎn)。他還對磁傾角現(xiàn)象進行解釋，認(rèn)為這是由于指南針在地球的不同緯度上受力的方向與該緯度的水平方向有一個夾角的緣故?，F(xiàn)在人類已認(rèn)識到：地理上的南北極與地磁的南北極并不重合，磁針是指向地磁的南極或北極的，而我們所說的南北方向

6、是地理上的南北極之間的方向，這兩個走向之間存在一個依不同緯度而有所不同的夾角，在同一緯度也會因地球磁場的變化而會發(fā)生這個夾角的改變。這才是磁傾角存在的原因。在認(rèn)定地球是一塊大磁石球之后，吉爾伯特設(shè)想太陽也是一塊磁石，它對行星發(fā)出磁性引力致使行星繞太陽旋轉(zhuǎn)。他認(rèn)為磁力的大小隨物體間的距離增大而減小，所以離太陽越遠(yuǎn)的行星運動越慢。對天體運動的這種解釋固然是一種不正確的推測，但對開普勒等人研究此問題給予了很好的啟示。在研究靜磁現(xiàn)象的同時，人們對靜電現(xiàn)象進行了研究。從吉爾伯特起，首先研究了摩擦起電的現(xiàn)象。他從琥珀經(jīng)摩擦后會吸引輕小物體的現(xiàn)象中受到啟發(fā)，特地收集許多材料，如金剛石、藍寶石、硫磺、樹脂、明

7、礬等，吉爾伯特對這些材料一一作摩擦實驗，他發(fā)現(xiàn)這些材料經(jīng)摩擦后全都有吸引輕小物體的能力。吉爾伯特為這種作用與磁作用加以區(qū)別，他引入一個形容詞“電的(electric)”。材料經(jīng)摩擦后具有這種性能叫“電的作用”。吉爾伯特從對電磁現(xiàn)象的實驗研究形成了他的關(guān)于電磁現(xiàn)象的初步理論：1600年出版的這部論磁石名著，是英國有史以來第一部重要的物理學(xué)著作，伽利略曾說它“偉大到令人妒忌”。用人工簡單摩擦起電來使物體帶電是很有局限性的，要對電現(xiàn)象作進一步研究，必須用有效的方法來獲得較多的電荷及電流。4那段沒資料的大約在1660年，德國的一位釀酒商和工程師格里凱(16221686)發(fā)明了第一臺能產(chǎn)生大量電流的摩擦

8、起電機。他用一個球狀玻璃瓶盛滿粉末狀的硫橫，用火燒玻璃瓶直至硫磺全部熔化，等其冷下來硫磺成球狀再將玻璃瓶打掉，在硫磺上個一孔并將其支在一根軸上，使硫磺球可以自由轉(zhuǎn)動。格里凱在1672年描述了這架儀器的構(gòu)造及其使用情況。起電時，他用一只手握住搖柄把，使硫磺球不停轉(zhuǎn)動，另一只手緊貼在硫磺球面上摩擦，結(jié)果使人體和硫磺球都帶上了電荷。1709年，德國人豪克斯比(16881763)制造了一臺用抽去空氣的玻璃球代替硫磺球的起電機，并在實驗中發(fā)現(xiàn)，玻璃球由摩擦帶電時，產(chǎn)生了類似磷光的現(xiàn)象。1750年還有人用巨大的飛輪帶動很大的玻璃柱轉(zhuǎn)動，通過皮帶與玻璃柱摩擦起電。在英國卡爾特修道院領(lǐng)養(yǎng)老金過活的格雷(約16

9、751736)，發(fā)現(xiàn)摩擦的玻璃管上所帶的電荷可以轉(zhuǎn)移到木塞上，他用一根帶有骨質(zhì)小球的棍子插到帶電的木塞中，骨質(zhì)小球也帶上了電，格雷還用一條長為24米的繩子將電荷傳送過去。他還發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別，并把物體分成兩類：一種是非電性物體，但卻可以傳電；另一類是電性物體，然而不能傳電。法國王家花園里的一位管家杜菲(16981739)對格雷的實驗產(chǎn)生了極大興趣，他也作了不少實驗，取得了一些重要的發(fā)現(xiàn)。1733年杜菲發(fā)現(xiàn)絕緣起來的金屬也可以通過摩擦的辦法起電，從而否定了吉爾伯特、格雷等人把物體分為“電的”和“非電的”的論斷，得出了所有物體都可以摩擦起電的結(jié)論。5萊頓瓶荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授穆欣布羅克(

10、16921761)和德國的克萊斯特(17001784)分別發(fā)現(xiàn)，物體好不容易獲得的電往往在空氣中逐漸消失。為了尋找一種保存電的方法，穆欣布羅克于1746年做了如下的實驗：他將一槍管懸掛在空中，用起電機與槍管相連，另用一根銅線一端與槍管相連，另一端浸入盛有水的玻璃瓶中，當(dāng)他的助手一只手握著玻璃瓶，另一只手不小心觸到槍管上，助手因猛然感到一次強烈的電擊而喊了起來，穆欣布羅克替下助手親自體驗了給他帶來極大恐怖感覺的實驗。這使人們認(rèn)識到：人體作導(dǎo)體參與放電過程的瞬間，電會使人感到一種可怕的突然震動和打擊，這就是常說的電擊(或叫電震)。穆欣布羅克還由此認(rèn)識到，盛水的玻璃瓶通電后，可以將電保存起來。穆欣布

11、羅克以親身的體驗勸人不要做這種人體放電實驗，卻反而引起了更多的人對這類電現(xiàn)象的注意，以致在荷蘭和德國公開進行電實驗的表演，有許多人為了娛樂也做起電實驗來。在這些人當(dāng)中，有法國的電學(xué)家諾萊特，他開始把這種能蓄電的瓶子稱為萊頓瓶(以穆欣布羅克所在的大學(xué)名稱命名)?？巳R斯特于1645年也發(fā)現(xiàn)盛水的瓶中插入導(dǎo)體通電，瓶子能貯電，在德國就把貯電性的瓶子叫克萊斯特瓶。當(dāng)時所進行的電實驗表演中，有用萊頓瓶作火花放電殺老鼠的表演，有用電火花點酒精和火藥的表演。其中最為壯觀的一次表演是諾萊特在巴黎一座大教堂前作的，諾萊特邀請了法王路易十五的皇室成員臨場觀看，他讓700個修道士手拉手排成一行，形成長達900英尺的

12、隊伍，然后讓排頭的修道士用手握住萊頓瓶，讓排尾的修道士用手握萊頓瓶的引線(引線另一端插入瓶中水中)，準(zhǔn)備就緒后，諾萊特令人用起電機通過引線向萊頓瓶送電。瞬間，700名修道士因受電擊同時跳了起來，在場觀眾無不為之目瞪口呆，諾萊特以事實表明了電的威力。6伽伐尼效應(yīng)和伏打電堆的發(fā)明意大利生物解剖學(xué)教授伽伐尼(17371798)和他的兩位助手于1780年9月20日做青蛙解剖實驗，一名助手不慎將手中的解剖刀的刀尖觸到了桌上一只剖開的蛙腿神經(jīng)上，頓時青蛙的4條腿猛烈地發(fā)生痙攣，另一名助手看到放在一帝的起電機跳了火花，這一現(xiàn)象引起了伽伐尼的極大注意。他選擇不同的條件，在不同的天氣里多次重復(fù)這一現(xiàn)象的觀察實驗

13、，并在題為論肌肉運動中的電力一文中對此作了歸納總結(jié)。伽伐尼起先認(rèn)為，可能是由于放電引起了蛙腿的收縮，他把蛙腿用銅鉤子掛到庭院的鐵欄桿上，試圖觀察雷雨天的放電能否引起蛙腿收縮，結(jié)果證實確能引起。伽伐尼進一步設(shè)想，晴天不放電會有這種收縮現(xiàn)象嗎?他發(fā)現(xiàn)，只要把銅鉤子掛到鐵欄桿上，蛙腿也有抽搐現(xiàn)象。由此，伽伐尼認(rèn)識到，放電現(xiàn)象的存在不是蛙腿抽搐的必須條件。他在實驗中發(fā)現(xiàn)只要有兩種不同的金屬分別接觸蛙腿的神經(jīng)和肌肉，并且使這兩種金屬彼此連結(jié)形成一個閉合回路(加鐵欄桿和銅鉤)，蛙腿就會產(chǎn)生抽搐?，F(xiàn)在我們知道，既然兩種金屬與蛙腿連結(jié)可產(chǎn)生和通電一樣的效果，這就證明了兩種金屬與蛙腿接觸可以產(chǎn)生電流?？墒钱?dāng)時伽

14、伐尼沒有形成這樣的觀念，他堅持動物體內(nèi)存在著“動物電”，用兩種金屬與動物接觸，就能把這種“動物電”激發(fā)出來，金屬與蛙腿接觸只是起了放電作用，就像萊頓瓶的放電作用一樣。伽伐尼的發(fā)現(xiàn)引起了意大利的實驗電學(xué)家伏打(17451827)的注意。那時他正在做生物電的實驗。當(dāng)他用一根由兩種金屬組成的彎桿的兩端分別與舌頭和眼睛附近部位接觸時，眼睛里就有光亮的感覺。這些實驗使伏打認(rèn)識到兩種金屬的接觸是產(chǎn)生電流的必要條件，只要有兩種金屬與另一個第二類導(dǎo)體(某些化學(xué)溶液或生物體的器官)連成一個回路，就能產(chǎn)生電流。伏打認(rèn)為不存在伽伐尼提出的“動物電”，蛙腿只是起到驗電器的作用。這之后，伏打花了3年時間，用各種金屬搭配

15、成一對一對，做了許多實驗。從實驗中他找到這樣一個序列：鋅、錫、鉛、銅、銀、金等，按這個序列將前面的金屬與緊接著的下一種金屬搭配起來，接觸在一起，那么前者就帶正電，后者帶負(fù)電，無一例外。我們現(xiàn)在知道，用量子力學(xué)費米能級可以解釋金屬存在接觸電位差的原因，當(dāng)然伏打那時還不能解釋存在這一“伏打序列”的原因。至于“動物電”，1793年伏打明確否定了它的存在。他在給一家物理雜志編輯的信中指出：“用不同的導(dǎo)體，特別是金屬導(dǎo)體接觸在一起，包括黃鐵礦、其他礦石以及炭等，我們稱之為干導(dǎo)體或第一類導(dǎo)體，再與第二類導(dǎo)體或濕導(dǎo)體接觸，就會擾動電液，引起電激動”。伏打的意見一發(fā)表，立即轟動了科學(xué)界，學(xué)者們議論紛紛。意大利

16、學(xué)者費伯魯尼(17521822)在1796年作了一個實驗，他將兩種金屬一起放在水中，也觀察到了伽伐尼效應(yīng)，但他特別強調(diào)還觀察到了其中一片金屬部分地氧化了，從而得到一個新的重要論斷，即某些化學(xué)作用不可分離地與伽伐尼效應(yīng)聯(lián)系在一起。伏打不管學(xué)術(shù)界如何議論，加緊進行自己的研究工作。1800年春，伏打制成了歷史上著名的伏打電堆，他在給英國皇家學(xué)會的一個報告中談到“無疑你們會感到驚訝，我所要介紹的裝置，只是用一些不同導(dǎo)體按一定的方式疊起來的裝置。用30片、40片、60片，甚至更多的銅片(當(dāng)然最好是銀片)，將它們中的每一片與一片錫片(最好是鋅片)接觸，然后充一層水或?qū)щ娦阅鼙燃兯玫氖雏}水、堿水等液層，

17、或填上一層用這些液體浸透的紙皮或皮革等，就能產(chǎn)生相當(dāng)多的電荷”。伏打這個電堆既能產(chǎn)生同萊頓瓶里一樣的電，而且有優(yōu)于萊頓瓶之處，那就是把電堆的兩端的金屬導(dǎo)線連接起來可以獲得持續(xù)不斷的電流，而萊頓瓶在放電后已不再帶電，再次使用需要重新起電。伏打的成就深得各界的贊賞。1801年法軍占領(lǐng)了意大利北部之后，法國皇帝拿破侖一世于9月26日把伏打召到巴黎；10月6日拿破侖在一次學(xué)術(shù)聚會上觀看了伏打的實驗表演，并將一枚特制的金質(zhì)獎?wù)率谟诜颉７螂姸?，就是我們現(xiàn)今使用的電池的雛形。伏打電堆的發(fā)明，使人們第一次獲得穩(wěn)定而持續(xù)的電流，這就為研究動電現(xiàn)象提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。有了伏打電堆，一方面促進人們研究產(chǎn)生電荷

18、的原因，從而使電化學(xué)、化學(xué)電源的研究工作有了很大的進展；另一方面促進人們研究電流的各種效應(yīng)，從而使人們開始對“電有什么作用”的問題展開了廣泛研究。一個突出的例子，是1812年化學(xué)家戴維曾用2000個電池組成的電池組供給碳極電弧以大電流，產(chǎn)生了很強的電孤光，成為愛迪生發(fā)明白熾燈泡之前的一種有效的電光源。隨著伏打電池的發(fā)明，電磁學(xué)的研究興起了高潮，進入了用科學(xué)的定量方法來研究的近階段。7庫侖定律庫侖定律不僅是電磁學(xué)的基本定律，也是物理學(xué)的基本定律之一。庫侖定律闡明了帶電體相互作用的規(guī)律，決定了靜電場的性質(zhì)，也為整個電磁學(xué)奠定了基礎(chǔ)。庫侖的工作對法國物理學(xué)家的影響還可以從稍后的拉普拉斯的物理學(xué)簡略綱

19、領(lǐng)得到證實。這個物理學(xué)簡略綱領(lǐng)最基本的出發(fā)點是把一切物理現(xiàn)象都簡化為粒子間吸引力和排斥力的現(xiàn)象，電或磁的運動是荷電粒子或荷磁粒子之間的吸引力和排斥力產(chǎn)生的效應(yīng)。這種簡化便于把分析數(shù)學(xué)的方法運用于物理學(xué)。電量的單位是為了紀(jì)念庫侖而以他的名字命名的。（符號是Q，單位庫倫，符號C）1767年，英格蘭化學(xué)家約瑟夫·普利斯特里猜測電荷之間的相互作用力具有類似于萬有引力的平方反比形式。1769年，蘇格蘭物理學(xué)家約翰·羅比遜首次通過實驗發(fā)現(xiàn)兩個帶電球體之間的作用力與它們之間距離的2.06次方成反比。1770年代早期，著名英國物理學(xué)家亨利·卡文迪什通過巧妙的實驗，得出了帶電體之間

20、的作用力依賴于帶電量與距離，并得出靜電力與距離的次方成反比，只是卡文迪什沒有公布這個結(jié)果。后來，麥克斯韋利用與卡文迪什類似的方法，得出靜電力與距離的次方成反比的結(jié)果。庫侖定律是電學(xué)的基本定律，其中平方反比關(guān)系是否精確成立尤其重要，而根據(jù)現(xiàn)代量子場論，靜電力的平方反比關(guān)系是與光子的靜質(zhì)量是否精確為零相關(guān)的，所以，對靜電力的平方反比關(guān)系的精確驗證，關(guān)系著現(xiàn)代物理學(xué)基本理論的基礎(chǔ)。當(dāng)前對庫侖定律平方反比關(guān)系的驗證越來越精確，如1971年進行的一次實驗，給出庫侖定律與平方反比關(guān)系的偏差小于。8靜電學(xué)和庫侖定律庫侖定律是靜電學(xué)中的基本定律，其主要描述了靜電力與電荷電量成正比，與距離的平方反比關(guān)系。人們曾

21、將靜電力與在當(dāng)時已享有盛譽的萬有引力定律做類比，發(fā)現(xiàn)彼此在理論和實驗上都有很多相似之處，包括實驗觀測到帶電球殼內(nèi)部的球體不會帶電，這和有質(zhì)量的球殼內(nèi)部物體不會受到引力作用（由牛頓在理論上證明，是平方反比力的一個特征）的情形類似。其間蘇格蘭物理學(xué)家約翰·羅比遜（1759年）2和英國物理學(xué)家亨利·卡文迪什（1773年）等人都進行過實驗驗證了靜電力的平方反比律，然而他們的實驗卻遲遲不為人知。法國物理學(xué)家夏爾·奧古斯丁·庫侖于1784年至1785年間進行了他著名的扭秤實驗3，其實驗的主要目的就是為了證實靜電力的平方反比律，因為他認(rèn)為“假說的前一部分無需證明”，也

22、就是說他已經(jīng)先驗性地認(rèn)為靜電力必然和萬有引力類似，和電荷電量成正比。扭秤的基本構(gòu)造為：一根水平懸于細(xì)金屬絲的輕導(dǎo)線兩端分別置有一個帶電小球A和一個與之平衡的物體P，而在實驗中在小球A的附近放置同樣大小的帶電小球B，兩者的靜電力會在輕導(dǎo)線上產(chǎn)生扭矩，從而使輕桿轉(zhuǎn)動。通過校正懸絲上的旋鈕可以將小球調(diào)回原先位置，則此時懸絲上的扭矩等于靜電力產(chǎn)生的力矩。如此，兩者之間的靜電力可以通過測量這個扭矩、偏轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)線長度來求得。庫侖的結(jié)論為：“對同樣材料的金屬導(dǎo)線而言，扭矩的大小正比于偏轉(zhuǎn)角度，導(dǎo)線橫截面直徑的四次方，且反比于導(dǎo)線的長度”夏爾·奧古斯丁·庫侖，金屬導(dǎo)線扭矩和彈性的理論和實

23、驗研究庫侖在其后的幾年間也研究了磁偶極子之間的作用力，他也得出了磁力也具有平方反比律的結(jié)論。不過，他并未認(rèn)識到靜電力和靜磁力之間有何內(nèi)在聯(lián)系，而且他一直將電力和磁力吸引和排斥的原因歸結(jié)于假想的電流體和磁流體具有正和負(fù)區(qū)別的，類似于“熱質(zhì)”一般的無質(zhì)量物質(zhì)。靜電力的平方反比律確定后，很多后續(xù)工作都是同萬有引力做類比從而順理成章的結(jié)果。1813年法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家西莫恩·德尼·泊松指出拉普拉斯方程也適用于靜電場，從而提出泊松方程；其他例子還包括靜電場的格林函數(shù)（喬治·格林，1828年）和高斯定理（卡爾·高斯，1839年）。9對穩(wěn)恒電流的研究十八世紀(jì)末，意大

24、利生理學(xué)家路易吉·伽伐尼發(fā)現(xiàn)蛙腿肌肉接觸金屬刀片時會發(fā)生痙攣，他其后在論文中認(rèn)為生物中存在著一種所謂“神經(jīng)電流”。意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打?qū)@種觀點并不贊同，他對這種現(xiàn)象進行研究后認(rèn)為這不過是外部電流的作用，而蛙腿肌肉只是起到了導(dǎo)體的連接作用。1800年，伏打?qū)\片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中，得到了很強的電流，這稱作伏打電堆；而將鋅片和銅片浸入鹽水或酸溶液中也能得到相同的效果，這稱作伏打電池。伏打電堆和電池的發(fā)明為研究穩(wěn)恒電流創(chuàng)造了條件。1826年，德國物理學(xué)家格奧爾格·歐姆從傅立葉對熱傳導(dǎo)規(guī)律的研究中受到啟發(fā)，在傅立葉的熱傳導(dǎo)理論中，導(dǎo)熱桿中兩點的熱流量

25、正比于這兩點之間的溫度差4。因而歐姆猜想電傳導(dǎo)與熱傳導(dǎo)相似，導(dǎo)線中兩點之間的電流也正比于這兩點間的某種驅(qū)動力（歐姆稱之為電張力，即現(xiàn)在所稱的電動勢）。歐姆首先嘗試用電流的熱效應(yīng)來測量電流強度，但效果不甚精確，后來歐姆利用了丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流的磁效應(yīng)，結(jié)合庫侖扭秤構(gòu)造了一種新型的電流扭秤，讓導(dǎo)線和連接的磁針平行放置，當(dāng)導(dǎo)線中通過電流時，磁針的偏轉(zhuǎn)角與導(dǎo)線中的電流成正比，即代表了電流的大小。歐姆測量得到的偏轉(zhuǎn)角度（相當(dāng)于電流強度）與電路中的兩個物理量分別成正比和反比關(guān)系，這兩個量實際相當(dāng)于電動勢和電阻。歐姆于1827年發(fā)表了他的著作直流電路的數(shù)學(xué)研究，明確了電路分析中電壓

26、、電流和電阻之間的關(guān)系，極大地影響了電流理論和應(yīng)用的發(fā)展，在這本書中首次提出的電學(xué)定律也因此被命名為歐姆定律。庫侖發(fā)現(xiàn)了磁力和電力一樣遵守平方反比律，但他沒有進一步推測兩者的內(nèi)在聯(lián)系，然而人們在自然界中觀察到的電流的磁現(xiàn)象（如富蘭克林在1751年發(fā)現(xiàn)放電能將鋼針磁化）促使著人們不斷地探索這種聯(lián)系。首先發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)系的人是丹麥物理學(xué)家奧斯特56，他本著這種信念進行了一系列有關(guān)的實驗，最終于1820年發(fā)現(xiàn)接通電流的導(dǎo)線能對附近的磁針產(chǎn)生作用力，這種磁效應(yīng)是沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向分布的。10安培的電磁學(xué)定理在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，法國物理學(xué)家讓-巴蒂斯特·畢奧和費利克斯·薩伐

27、爾進一步詳細(xì)研究了載流直導(dǎo)線對周圍磁針的作用力，并確定其磁力大小正比于電流強度，反比于距離，方向垂直于距離連線，這一規(guī)律被歸納為著名的畢奧-薩伐爾定律。而法國物理學(xué)家安德烈-瑪麗·安培在奧斯特的發(fā)現(xiàn)僅一周之后（1820年9月）就向法國科學(xué)院提交了一份更詳細(xì)的論證報告78，同時還論述了兩根平行載流直導(dǎo)線之間磁效應(yīng)產(chǎn)生的吸引力和排斥力。在這期間安培進行了四個實驗，分別驗證了兩根平行載流直導(dǎo)線之間作用力方向與電流方向的關(guān)系、磁力的矢量性、確定了磁力的方向垂直于載流導(dǎo)體以及作用力大小與電流強度和距離的關(guān)系。安培并且在數(shù)學(xué)上對作用力進行了推導(dǎo)，得到了普遍的安培力公式，這一公式在形式上類似于萬有

28、引力定律和庫侖定律。1821年，安培從電流的磁效應(yīng)出發(fā)，設(shè)想了磁效應(yīng)的本質(zhì)正是電流產(chǎn)生的，從而提出了分子環(huán)流假說，認(rèn)為磁體內(nèi)部分子形成的環(huán)形電流就相當(dāng)于一根根磁針。1826年，安培從斯托克斯定理推導(dǎo)得到了著名的安培環(huán)路定理，證明了磁場沿包圍產(chǎn)生其電流的閉合路徑的曲線積分等于其電流密度，這一定理成為了麥克斯韋方程組的基本方程之一。安培的工作揭示了電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，將電磁學(xué)研究真正數(shù)學(xué)化，成為物理學(xué)中又一大理論體系電動力學(xué)的基礎(chǔ)9。麥克斯韋稱安培的工作是“科學(xué)史上最輝煌的成就之一”，后人稱安培為“電學(xué)中的牛頓”。11電磁感應(yīng)現(xiàn)象英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第早年跟隨化學(xué)家漢弗里·

29、戴維從事化學(xué)研究，他對電磁學(xué)的貢獻還包括抗磁性的發(fā)現(xiàn)、電解定律和磁場的旋光性（法拉第效應(yīng)）10。在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后的1821年，英國哲學(xué)學(xué)報邀請當(dāng)時擔(dān)任英國皇家研究所實驗室主任的法拉第撰寫一篇電磁學(xué)的綜述，這也導(dǎo)致了法拉第轉(zhuǎn)向電磁領(lǐng)域的研究工作。法拉第考慮了奧斯特的發(fā)現(xiàn)，也出于他同樣認(rèn)為自然界的各種力能夠相互轉(zhuǎn)化的信念，他猜想電流應(yīng)當(dāng)也如磁體一般，能夠在周圍感應(yīng)出電流。從1824年起，法拉第進行了一系列相關(guān)實驗試圖尋找導(dǎo)體中的感應(yīng)電流，然而始終未獲成功。直到1831年8月29日，他在實驗中發(fā)現(xiàn)對于兩個相鄰的線圈A和B，只有當(dāng)接通或斷開線圈回路A時，線圈B附近的磁針才會產(chǎn)生反應(yīng)，也就是

30、此時線圈B中產(chǎn)生了電流。如果維持線圈A的接通狀態(tài)，則線圈B中不會產(chǎn)生電流，法拉第意識到這是一種瞬態(tài)效應(yīng)。一個月后，法拉第向英國皇家學(xué)會總結(jié)了他的實驗結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況包括五類：變化中的電流、變化中的磁場、運動的穩(wěn)恒電流、運動的磁體和運動的導(dǎo)線。法拉第電磁感應(yīng)定律從而表述為：任何封閉電路中感應(yīng)電動勢的大小，等于穿過這一電路磁通量的變化率。不過此時的法拉第電磁感應(yīng)定律仍然是一條觀察性的實驗定律，確定感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流方向的是俄國物理學(xué)家海因里希·楞次，他于1833年總結(jié)出了著名的楞次定律11。法拉第定律后來被納入麥克斯韋的電磁場理論，從而具有了更簡潔更深刻的意義。法拉第另一

31、個重要的貢獻是創(chuàng)立了力線和場的概念，力線實際是否認(rèn)了超距作用的存在，這些思想成為了麥克斯韋電磁場理論的基礎(chǔ)。愛因斯坦稱其為“物理學(xué)中引入了新的、革命性的觀念，它們打開了一條通往新的哲學(xué)觀點的道路”，意為場論的觀念是有別于舊的機械觀中以物質(zhì)為主導(dǎo)核心的哲學(xué)觀念詹姆斯·克拉克·麥克斯韋對電磁理論的貢獻是里程碑式的1314。麥克斯韋自1855年開始研究電磁學(xué)，1856年他發(fā)表了首篇專論論法拉第力線15，其中描述了如何類比流體力學(xué)中的流線和法拉第的力線，并用自己強大的數(shù)學(xué)功底重新描述了法拉第的實驗觀測結(jié)果，這部分內(nèi)容被麥克斯韋用六條數(shù)學(xué)定律概括。1861年至1862年間，麥克斯韋發(fā)

32、表了第二篇電磁學(xué)論文論物理力線15，在這篇論文中麥克斯韋嘗試了所謂“分子渦流”模型，他假設(shè)在磁場作用下的介質(zhì)中存在大量排列的分子渦流，這些渦流沿磁力線旋轉(zhuǎn)，且角速度正比于磁場強度，分子渦流密度正比于介質(zhì)磁導(dǎo)率。這一模型能很好地通過近距作用之說來解釋靜電和靜磁作用，以及變化的電場與磁場的關(guān)系。更重要的是，它預(yù)言了在電場作用下的分子渦流會產(chǎn)生位移，從而以勢能的形式儲存在介質(zhì)中，這相當(dāng)于在介質(zhì)中產(chǎn)生了電動勢，這成為了麥克斯韋預(yù)言位移電流存在的理論基礎(chǔ)。此外，將這種介質(zhì)理論應(yīng)用到彈性波上，可以計算求得在真空或以太中橫波的傳播速度恰好和當(dāng)時已知的光速（斐索，1849年）非常接近，麥克斯韋由此大膽預(yù)言：“

33、我們難以排除如下的推論：光是由引起電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的同一介質(zhì)中的橫波組成的?！闭材匪?#183;克拉克·麥克斯韋，論物理力線1865年麥克斯韋發(fā)表了他的第三篇論文電磁場的動力學(xué)理論15，在論文中他堅持了電磁場是一種近距作用的觀點，指出“電磁場是包含和圍繞著處于電或磁狀態(tài)的物體的那部分空間，它可能充有任何一種物質(zhì)”。在此麥克斯韋提出了電磁場的方程組，一共包含有20個方程（電位移、磁場力、電流、電動勢、電彈性、電阻、自由電荷和連續(xù)性方程）和20個變量（電磁動量、磁場強度、電動熱、傳導(dǎo)電流、電位移、全電流、自由電荷電量、電勢）。這實際是8個方程，但到1890年才由海因里希·魯?shù)婪?

34、#183;赫茲給出了現(xiàn)代通用的形式16，這是赫茲在考慮了阿爾伯特·邁克耳孫在1881年的實驗（也是邁克耳孫-莫雷實驗的先行實驗）中得到了以太漂移的零結(jié)果后對麥克斯韋的方程組進行的修改。1887年至1888年間，赫茲通過他制作的半波長偶極子天線成功接收到了麥克斯韋預(yù)言的電磁波，電磁波是相互垂直的電場和磁場在垂直于傳播方向的平面上的振動，同時赫茲還測定了電磁波的速度等于光速。赫茲實驗證實電磁波的存在是物理學(xué)理論的一個重要勝利，同時也標(biāo)志著一種基于場論的更基礎(chǔ)的物理學(xué)即將誕生。愛因斯坦盛贊法拉第、麥克斯韋和赫茲的工作是“牛頓力學(xué)以來物理學(xué)中最偉大的變革”，而“這次革命的最大部分出自麥克斯韋

35、”。1000kV晉東南南陽荊門特高壓交流試驗示范工程起于山西晉東南（長治）變站，經(jīng)河南南陽開關(guān)站，止于湖北荊門變電站。全線單回路架設(shè)，全長654公里，跨越黃河和漢江。變電容量600萬千伏安。系統(tǒng)標(biāo)稱電壓1000千伏，最高運行電壓1100千伏，靜態(tài)投資約57億元。這條線路于2006年8月開工建設(shè)，歷經(jīng)28個月建設(shè)完工。 工程于2006年8月取得國家發(fā)展和改革委員會下達的項目核準(zhǔn)批復(fù)文件，同年底開工建設(shè)，2008年12月全面竣工，12月30日完成系統(tǒng)調(diào)試投入試運行，2009年1月6日22時完成168小時試運行投入商業(yè)運行。從2004年底開始前期工作以來，我國僅用四年時間，建成了目前世界上運行電壓最

36、高、技術(shù)水平最先進、我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的交流輸電工程，標(biāo)志著我國在遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗的特高壓輸電核心技術(shù)和設(shè)備國產(chǎn)化上取得重大突破，是我國能源基礎(chǔ)研究和建設(shè)領(lǐng)域取得的世界級重大創(chuàng)新成果，是世界電力發(fā)展史上的重要里程碑。工程的成功建設(shè)對保障國家能源安全和電力可靠供應(yīng)具有重要意義。據(jù)湖北省輸變電工程公司有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，這個特高壓工程滿負(fù)荷運行后，可為湖北省新增北方火電約300萬千瓦，每年可為湖北節(jié)約電煤700余萬噸。這對于電煤外購比重超過90%的湖北來說，相當(dāng)于為湖北“支援”了一個葛洲壩電站。這條特高壓線路將成為世界上第一條投入商業(yè)化運行的1000千伏輸電線路，可實現(xiàn)華北電網(wǎng)和華中電網(wǎng)的水火

37、調(diào)劑、優(yōu)勢互補。與500千伏超高壓電網(wǎng)相比，特高壓電網(wǎng)可以解決我國現(xiàn)有電網(wǎng)輸送能力不足的問題，有助于提高輸電效率、降低線路損耗、減少投資成本、節(jié)約土地資源。通過工程實踐，我國全面建成了世界一流的特高壓試驗研究體系，全面掌握了特高壓交流輸電核心技術(shù)，全面建立了特高壓交流輸電標(biāo)準(zhǔn)體系，全面實現(xiàn)了國內(nèi)電工裝備制造的產(chǎn)業(yè)升級，全面驗證了特高壓交流輸電的技術(shù)可行性、設(shè)備可靠性、系統(tǒng)安全性和環(huán)境友好性，全面培養(yǎng)鍛煉了技術(shù)和管理人才隊伍。特高壓交流輸電在我國已具備大規(guī)模應(yīng)用條件。特高壓輸電技術(shù)和相應(yīng)的設(shè)備制造技術(shù)是世界電力科技領(lǐng)域和電工設(shè)備制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)。試驗示范工程所用的1000千伏電抗器、1000千

38、伏高壓交流變壓器等關(guān)鍵設(shè)備絕大部分由國內(nèi)重點制造企業(yè)研制，證明我國具備了特高壓輸變電工程自主設(shè)計、設(shè)備研發(fā)和施工建設(shè)的能力。向家壩-上海±800kV特高壓直流示范工程2009年12月26日上午09：57分，伴隨著奉賢換流站主控室內(nèi)熱烈的歡呼聲，主控計算機顯示屏定格在直流800千伏，由我國自主設(shè)計、自主建設(shè)的向家壩-上海±800kV特高壓直流示范工程奉賢換流站極I 800kV直流系統(tǒng)和直流線路成功升壓至800kV。這標(biāo)志著世界上輸送容量最大、送電距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進、電壓等級最高的直流輸電工程全線帶電成功。國家電網(wǎng)公司黨組成員、副總經(jīng)理鄭寶森，總經(jīng)理助理兼特高壓部主任孫昕

39、，總工程師張麗英，調(diào)試專家組成員，公司總部辦公廳、特高壓部、基建部、生技部、國調(diào)中心、直流建設(shè)分公司、運行分公司、信通公司、中國電科院、華東電網(wǎng)、上海電力公司及相關(guān)設(shè)計、監(jiān)理、施工等單位領(lǐng)導(dǎo)和代表共同見證了這一歷史時刻。向家壩-上海±800kV特高壓直流示范工程率先實現(xiàn)了直流輸電的電壓、電流雙提升、雙突破，開創(chuàng)了世界直流輸電技術(shù)的新紀(jì)元，為國際電工界樹立了新的技術(shù)里程碑。工程的成功帶電，對建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強智能電網(wǎng)意義重大。是引領(lǐng)世界直流輸電技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新工程，是我國特高壓輸電設(shè)備自主化的重要依托工程，是超大規(guī)模、超大范圍配置能源資源的系統(tǒng)工程。對于電

40、力工業(yè)的科學(xué)發(fā)展和創(chuàng)新發(fā)展，對于能源基地的大規(guī)模開發(fā)和電力外送，對于促進清潔能源的快速發(fā)展，對于滿足東部地區(qū)日益增長的負(fù)荷發(fā)展需要，都具有重要意義和深遠(yuǎn)影響。向家壩-上海±800kV特高壓直流示范工程全線帶電成功向家壩-上海±800kV特高壓直流示范工程建設(shè)規(guī)模大、難度高，時間緊迫、任務(wù)艱巨。特別是工程用特高壓設(shè)備大多屬世界首創(chuàng)，研發(fā)難度極大；主要設(shè)備供貨廠家分布在瑞典、德國和國內(nèi)沈陽、西安、秦皇島、常州等地，大型設(shè)備運輸跨海越洋，最遠(yuǎn)運輸距離達11000海里，運輸批次多，制約因素多，運輸方式復(fù)雜，確保所有換流變安全按期運抵現(xiàn)場的難度極大。面對重重困難，廣大建設(shè)者在國家電網(wǎng)

41、公司堅強領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)揚“六個特別”的特高壓精神，鍥而不舍、攻堅克難，在科技攻關(guān)、工程設(shè)計、設(shè)備研制和施工建設(shè)等方面不斷取得新成果、實現(xiàn)新突破，有力保證了工程建設(shè)的順利實施。自2007年12月正式開工建設(shè)以來，僅用一年的時間建成了近2000公里線路，僅用兩年的時間即實現(xiàn)了直流設(shè)備全壓帶電。中國需要發(fā)展特高壓電網(wǎng)的原因： 特高壓電網(wǎng)最大特點就是可以長距離、大容量、低損耗輸送電力。據(jù)測算，1000千伏交流特高壓輸電線路的輸電能力超過500萬千瓦，接近500千伏超高壓交流輸電線路的5倍。±800千伏直流特高壓的輸電能力達到700萬千瓦，是±500千伏超高壓直流線路輸電能力的2.4倍。

42、 我國76%的煤炭資源分布在北部和西北部；80%的水能資源分布在西南部；絕大部分陸地風(fēng)能、太陽能資源分布在西北部。同時，70%以上的能源需求卻集中在東中部。能源基地與負(fù)荷中心的距離在1000到3000公里。 在負(fù)荷中心區(qū)大規(guī)模展開電源建設(shè)顯然會受到種種制約。比如煤炭運輸問題、環(huán)境容量問題等等。而且，建設(shè)火電還可以靠煤炭運輸，而水電、風(fēng)電由于不可能把水和風(fēng)像煤那樣運輸，因此就更是無法實現(xiàn)。一邊是無法大規(guī)模建設(shè)電源點，一邊又守著水能、風(fēng)能等寶貴的清潔能源望洋興嘆，可見在負(fù)荷中心大規(guī)模開展電源建設(shè)這條思路是不可行的。 首先從資源優(yōu)化配置來看，隨著我國能源戰(zhàn)略西移，大型能源基地與能源消費中心的距離越來

43、越遠(yuǎn)，能源輸送的規(guī)模也將越來越大。在傳統(tǒng)的鐵路、公路、航運、管道等運輸方式的基礎(chǔ)上，提高電網(wǎng)運輸能力，也是緩解運輸壓力的一種選擇。以目前已經(jīng)投運的1000千伏特高壓示范工程為例，目前每天可以送電200萬千瓦，改造后可以達到500萬千瓦，這相當(dāng)于每天從山西往湖北輸送原煤2.5萬噸6萬噸。湖北媒體說，這相當(dāng)于給湖北“送”來了一個葛洲壩電站。 再看經(jīng)濟效益，目前西部、北部地區(qū)電煤價格為200元/噸標(biāo)準(zhǔn)煤。將煤炭從當(dāng)?shù)匮b車，經(jīng)過公路、鐵路運輸?shù)角鼗蕧u港，再通過海運、公路運輸?shù)饺A東地區(qū)，電煤價格則增至1000多元/噸標(biāo)準(zhǔn)煤。折算后每千瓦時電僅燃料成本就達到0.3元左右。而在煤炭產(chǎn)區(qū)建坑口電站，燃料成本僅

44、0.09元/千瓦時?？涌陔娬镜碾娏νㄟ^特高壓輸送到中東部負(fù)荷中心，除去輸電環(huán)節(jié)的費用后，到網(wǎng)電價仍低于當(dāng)?shù)孛弘娖骄暇W(wǎng)電價0.060.13元/千瓦時。 特高壓更是清潔能源大發(fā)展的必要支撐。只有特高壓才能夠解決清潔能源發(fā)電大范圍消納的問題。前一段時間，內(nèi)蒙古風(fēng)電“曬太陽”送不出的問題廣受關(guān)注。事實上，我國風(fēng)電主要集中在“三北”地區(qū)，當(dāng)?shù)叵{空間非常有限。風(fēng)電的進一步發(fā)展，客觀上需要擴大風(fēng)電消納范圍，大風(fēng)電必須融入大電網(wǎng)，堅強的大電網(wǎng)能夠顯著提高風(fēng)電消納能力。特高壓電網(wǎng)將構(gòu)成我國大容量、遠(yuǎn)距離的能源輸送通道。據(jù)測算，如果風(fēng)電僅在省內(nèi)消納，2020年全國可開發(fā)的風(fēng)電規(guī)模約5000萬千瓦。而通過特高壓

45、跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)輸送擴大清潔能源的消納能力，全國風(fēng)電開發(fā)規(guī)模則可達1億千瓦以上。電力工業(yè)的建立至今已有一個多世紀(jì)的歷史。今天，電與人們的生產(chǎn)、生活、科學(xué)技術(shù)研究和社會文明建設(shè)息息相關(guān)，對現(xiàn)代社會的各個方面已產(chǎn)生直接或間接的巨大作用和影響，已成為現(xiàn)代文明社會的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 1799年物理學(xué)家伏特發(fā)明第一個化學(xué)電池，人們開始獲得連續(xù)的電流。隨后，安培、歐姆、亨利、法拉第、愛迪生、西門子、楞次、基爾霍夫、麥克斯韋、赫茲、特斯拉、威斯汀豪斯等一大批電氣工程界的偉大先驅(qū)們創(chuàng)造了一系列理論與實踐成果，為電力工業(yè)的誕生開辟了現(xiàn)實的途徑。 1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理，并制成最早的發(fā)電機法拉第盤（Fradays Disk），奠定了發(fā)電機的理論基礎(chǔ)。 1866年，西門子發(fā)明了自勵磁發(fā)電機，并預(yù)見：電力技術(shù)很有發(fā)展前途，它將會開創(chuàng)一個新紀(jì)元（幾乎同時，王爾德（Wilde） 等人也發(fā)明了自勵磁發(fā)電機，但西門子擁有優(yōu)先權(quán)）。 1870年，比利時的格拉姆（Gramme）制成往復(fù)式蒸汽發(fā)電機供工廠電弧燈用電。 1875年，巴黎北火車站建成世界第一個火電廠，用直流發(fā)電供附近照明。 1879年，舊金山建成世界第一座商用發(fā)電廠，兩臺發(fā)電機供22盞電弧燈，收費$10/燈周。同年，先后在法