电气工程简史

浅谈电气工程简史论文摘要：梳理了电气工程技术从古代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。论文关键词：电气工程技术；电气学科；发展史1中国古代的电磁学在古代中国，大约在春秋末期(约前四五世纪)成书的《管子·地数管》、战国时期的《鬼谷子》、战国末期的《吕氏春秋》等，都曾记述了天然磁石及其吸铁现象，记述了世界上最古老的指南针“司南”。汉代王充在其著作《论衡》中对世界上最古老的指南针“司南”作了进一步详细的记述，他写道：“司南之杓，投之以地，其柢指南。”汉代初期，已有玳瑁、玻珀经摩擦吸引轻小物体的记载。晋代张华(232-300)曾发现用梳子梳理头发和解脱丝绸毛制衣服时的起电现象，他看到静电火花，听到放电的噼啪声。中国宋代静磁学取得当时世界上的最好成就。沈括(1033—1097)和寇宗爽都讲到了人工磁化材料的方法，即将铁针与磁石摩擦即可获得磁性。沈括在《梦溪笔谈》(卷廿四)中写道：“方家以磁石摩铁峰，则能指南，然常微偏东，不全南也。”这是世界上最早的关于地磁偏角的文字记载。对世界文明有重要影响的指南针是中国古代人的发明。沈括指出了4种指南针的安放办法，即水浮水、指甲法、碗唇法、丝悬法。中国还是最早将指南针用于航海的国家。南宋后，罗盘在航海中普遍使用，约12世纪末13世纪初中国指南针由海路传入阿拉伯，又由阿拉伯传到欧洲。2西方世界的电磁学发展静电和静磁现象很早就被人类发现，由于摩擦起电现象，英文中“电”的语源来自希腊文“琥珀”一词。远在公元前2750年，古埃及人就已经知道发电鱼（electricfish）会发出电击。这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”，是所有其它鱼的保护者。大约两千五百年之后，希腊人、罗马人，阿拉伯自然学者和阿拉伯医学者，才又出现关于发电鱼的记载。古代罗马医生ScriboniusLargus也在他的大作《CompositionesMedicae》中，建议患有像痛风或头疼一类病痛的病人，去触摸电鳐，也许强力的电击会治愈他们的疾病。阿拉伯人可能是最先了解闪电本质的族群。他们也可能比其它族群都先认出电的其它来源。早于15世纪以前，阿拉伯人就创建了“闪电”的阿拉伯字“raad”，并将这字用来称呼电鳐。在古希腊及地中海区域的古老文化里，很早就有文字记载，将琥珀棒与猫毛摩擦后，会吸引羽毛一类的物质。西元前600年左右，古希腊的哲学家泰勒斯（Thales,640-546B.C.）做了一系列关于静电的观察。从这些观察中，他认为摩擦使琥珀变得磁性化。这与矿石像磁铁矿的性质迥然不同；磁铁矿天然地具有磁性。英国人马里古特对磁的实验工作，是关于磁现象研究工作的萌芽。一直到了16世纪，欧洲工艺、航海、军工在各国普遍得到新的发展，对此起了特别重大推动作用的是中国的火药、造纸术、印刷术和指南针等四大发明的传入。3论磁石第一个从理论高度来研究电和磁，从而提出了比较系统的初步理论的人是英国的吉尔伯特(1544—1603)，在16世纪末发表的《论磁石》一书中记述了他对天然磁石和地球磁场的研究。其中著名的是“小地球”实验。他发现，在天然磁石球的作用下，小磁针的行为与地球上的指南针极为相似。由此吉尔伯特联想到地球可能是一块大磁石，它与指针之间的同极相斥、异极相吸的作用引起了指南针的朝南、北方向的偏转。他还对磁倾角现象进行解释，认为这是由于指南针在地球的不同纬度上受力的方向与该纬度的水平方向有一个夹角的缘故。现在人类已认识到：地理上的南北极与地磁的南北极并不重合，磁针是指向地磁的南极或北极的，而我们所说的南北方向是地理上的南北极之间的方向，这两个走向之间存在一个依不同纬度而有所不同的夹角，在同一纬度也会因地球磁场的变化而会发生这个夹角的改变。这才是磁倾角存在的原因。在认定地球是一块大磁石球之后，吉尔伯特设想太阳也是一块磁石，它对行星发出磁性引力致使行星绕太阳旋转。他认为磁力的大小随物体间的距离增大而减小，所以离太阳越远的行星运动越慢。对天体运动的这种解释固然是一种不正确的推测，但对开普勒等人研究此问题给予了很好的启示。在研究静磁现象的同时，人们对静电现象进行了研究。从吉尔伯特起，首先研究了摩擦起电的现象。他从琥珀经摩擦后会吸引轻小物体的现象中受到启发，特地收集许多材料，如金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂、明矾等，吉尔伯特对这些材料一一作摩擦实验，他发现这些材料经摩擦后全都有吸引轻小物体的能力。吉尔伯特为这种作用与磁作用加以区别，他引入一个形容词——“电的(electric)”。材料经摩擦后具有这种性能叫“电的作用”。吉尔伯特从对电磁现象的实验研究形成了他的关于电磁现象的初步理论：1600年出版的这部《论磁石》名著，是英国有史以来第一部重要的物理学著作，伽利略曾说它“伟大到令人妒忌”。用人工简单摩擦起电来使物体带电是很有局限性的，要对电现象作进一步研究，必须用有效的方法来获得较多的电荷及电流。4那段没资料的大约在1660年，德国的一位酿酒商和工程师格里凯(1622—1686)发明了第一台能产生大量电流的摩擦起电机。他用一个球状玻璃瓶盛满粉末状的硫横，用火烧玻璃瓶直至硫磺全部熔化，等其冷下来硫磺成球状再将玻璃瓶打掉，在硫磺上个一孔并将其支在一根轴上，使硫磺球可以自由转动。格里凯在1672年描述了这架仪器的构造及其使用情况。起电时，他用一只手握住摇柄把，使硫磺球不停转动，另一只手紧贴在硫磺球面上摩擦，结果使人体和硫磺球都带上了电荷。1709年，德国人豪克斯比(1688—1763)制造了一台用抽去空气的玻璃球代替硫磺球的起电机，并在实验中发现，玻璃球由摩擦带电时，产生了类似磷光的现象。1750年还有人用巨大的飞轮带动很大的玻璃柱转动，通过皮带与玻璃柱摩擦起电。在英国卡尔特修道院领养老金过活的格雷(约1675—1736)，发现摩擦的玻璃管上所带的电荷可以转移到木塞上，他用一根带有骨质小球的棍子插到带电的木塞中，骨质小球也带上了电，格雷还用一条长为24米的绳子将电荷传送过去。他还发现导体和绝缘体的区别，并把物体分成两类：一种是非电性物体，但却可以传电；另一类是电性物体，然而不能传电。法国王家花园里的一位管家杜菲(1698—1739)对格雷的实验产生了极大兴趣，他也作了不少实验，取得了一些重要的发现。1733年杜菲发现绝缘起来的金属也可以通过摩擦的办法起电，从而否定了吉尔伯特、格雷等人把物体分为“电的”和“非电的”的论断，得出了所有物体都可以摩擦起电的结论。5莱顿瓶荷兰莱顿大学的物理学教授穆欣布罗克(1692—1761)和德国的克莱斯特(1700—1784)分别发现，物体好不容易获得的电往往在空气中逐渐消失。为了寻找一种保存电的方法，穆欣布罗克于1746年做了如下的实验：他将一枪管悬挂在空中，用起电机与枪管相连，另用一根铜线一端与枪管相连，另一端浸入盛有水的玻璃瓶中，当他的助手一只手握着玻璃瓶，另一只手不小心触到枪管上，助手因猛然感到一次强烈的电击而喊了起来，穆欣布罗克替下助手亲自体验了给他带来极大恐怖感觉的实验。这使人们认识到：人体作导体参与放电过程的瞬间，电会使人感到一种可怕的突然震动和打击，这就是常说的电击(或叫电震)。穆欣布罗克还由此认识到，盛水的玻璃瓶通电后，可以将电保存起来。穆欣布罗克以亲身的体验劝人不要做这种人体放电实验，却反而引起了更多的人对这类电现象的注意，以致在荷兰和德国公开进行电实验的表演，有许多人为了娱乐也做起电实验来。在这些人当中，有法国的电学家诺莱特，他开始把这种能蓄电的瓶子称为莱顿瓶(以穆欣布罗克所在的大学名称命名)。克莱斯特于1645年也发现盛水的瓶中插入导体通电，瓶子能贮电，在德国就把贮电性的瓶子叫克莱斯特瓶。当时所进行的电实验表演中，有用莱顿瓶作火花放电杀老鼠的表演，有用电火花点酒精和火药的表演。其中最为壮观的一次表演是诺莱特在巴黎一座大教堂前作的，诺莱特邀请了法王路易十五的皇室成员临场观看，他让700个修道士手拉手排成一行，形成长达900英尺的队伍，然后让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的修道士用手握莱顿瓶的引线(引线另一端插入瓶中水中)，准备就绪后，诺莱特令人用起电机通过引线向莱顿瓶送电。瞬间，700名修道士因受电击同时跳了起来，在场观众无不为之目瞪口呆，诺莱特以事实表明了电的威力。6伽伐尼效应和伏打电堆的发明意大利生物解剖学教授伽伐尼(1737—1798)和他的两位助手于1780年9月20日做青蛙解剖实验，一名助手不慎将手中的解剖刀的刀尖触到了桌上一只剖开的蛙腿神经上，顿时青蛙的4条腿猛烈地发生痉挛，另一名助手看到放在一帝的起电机跳了火花，这一现象引起了伽伐尼的极大注意。他选择不同的条件，在不同的天气里多次重复这一现象的观察实验，并在题为《论肌肉运动中的电力》一文中对此作了归纳总结。伽伐尼起先认为，可能是由于放电引起了蛙腿的收缩，他把蛙腿用铜钩子挂到庭院的铁栏杆上，试图观察雷雨天的放电能否引起蛙腿收缩，结果证实确能引起。伽伐尼进一步设想，晴天不放电会有这种收缩现象吗?他发现，只要把铜钩子挂到铁栏杆上，蛙腿也有抽搐现象。由此，伽伐尼认识到，放电现象的存在不是蛙腿抽搐的必须条件。他在实验中发现只要有两种不同的金属分别接触蛙腿的神经和肌肉，并且使这两种金属彼此连结形成一个闭合回路(加铁栏杆和铜钩)，蛙腿就会产生抽搐。现在我们知道，既然两种金属与蛙腿连结可产生和通电一样的效果，这就证明了两种金属与蛙腿接触可以产生电流。可是当时伽伐尼没有形成这样的观念，他坚持动物体内存在着“动物电”，用两种金属与动物接触，就能把这种“动物电”激发出来，金属与蛙腿接触只是起了放电作用，就像莱顿瓶的放电作用一样。伽伐尼的发现引起了意大利的实验电学家伏打(1745—1827)的注意。那时他正在做生物电的实验。当他用一根由两种金属组成的弯杆的两端分别与舌头和眼睛附近部位接触时，眼睛里就有光亮的感觉。这些实验使伏打认识到两种金属的接触是产生电流的必要条件，只要有两种金属与另一个第二类导体(某些化学溶液或生物体的器官)连成一个回路，就能产生电流。伏打认为不存在伽伐尼提出的“动物电”，蛙腿只是起到验电器的作用。这之后，伏打花了3年时间，用各种金属搭配成一对一对，做了许多实验。从实验中他找到这样一个序列：锌、锡、铅、铜、银、金等，按这个序列将前面的金属与紧接着的下一种金属搭配起来，接触在一起，那么前者就带正电，后者带负电，无一例外。我们现在知道，用量子力学费米能级可以解释金属存在接触电位差的原因，当然伏打那时还不能解释存在这一“伏打序列”的原因。至于“动物电”，1793年伏打明确否定了它的存在。他在给一家物理杂志编辑的信中指出：“用不同的导体，特别是金属导体接触在一起，包括黄铁矿、其他矿石以及炭等，我们称之为干导体或第一类导体，再与第二类导体或湿导体接触，就会扰动电液，引起电激动”。伏打的意见一发表，立即轰动了科学界，学者们议论纷纷。意大利学者费伯鲁尼(1752—1822)在1796年作了一个实验，他将两种金属一起放在水中，也观察到了伽伐尼效应，但他特别强调还观察到了其中一片金属部分地氧化了，从而得到一个新的重要论断，即某些化学作用不可分离地与伽伐尼效应联系在一起。伏打不管学术界如何议论，加紧进行自己的研究工作。1800年春，伏打制成了历史上著名的伏打电堆，他在给英国皇家学会的一个报告中谈到“无疑你们会感到惊讶，我所要介绍的装置，只是用一些不同导体按一定的方式叠起来的装置。用30片、40片、60片，甚至更多的铜片(当然最好是银片)，将它们中的每一片与一片锡片(最好是锌片)接触，然后充一层水或导电性能比纯水更好的食盐水、碱水等液层，或填上一层用这些液体浸透的纸皮或皮革等，就能产生相当多的电荷”。伏打这个电堆既能产生同莱顿瓶里一样的电，而且有优于莱顿瓶之处，那就是把电堆的两端的金属导线连接起来可以获得持续不断的电流，而莱顿瓶在放电后已不再带电，再次使用需要重新起电。伏打的成就深得各界的赞赏。1801年法军占领了意大利北部之后，法国皇帝拿破仑一世于9月26日把伏打召到巴黎；10月6日拿