电气工程简史

1、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

2、-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(10331097)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

3、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（electric fish）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Scribonius Largus也在他的大作Compositiones Medicae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

4、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

5、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(15441603)，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

6、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

7、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(16221686)发明了第一台能产生大量电流的摩擦

8、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(16881763)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16

9、751736)，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(16981739)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(

10、16921761)和德国的克莱斯特(17001784)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

11、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

12、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(17371798)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

13、，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

14、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(17451827)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

15、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

16、学者费伯鲁尼(17521822)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，

17、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日拿破仑在一次学术聚会上观看了伏打的实验表演，并将一枚特制的金质奖章授于伏打。伏打电堆，就是我们现今使用的电池的雏形。伏打电堆的发明，使人们第一次获得稳定而持续的电流，这就为研究动电现象提供了坚实的技术基础。有了伏打电堆，一方面促进人们研究产生电荷

18、的原因，从而使电化学、化学电源的研究工作有了很大的进展；另一方面促进人们研究电流的各种效应，从而使人们开始对“电有什么作用”的问题展开了广泛研究。一个突出的例子，是1812年化学家戴维曾用2000个电池组成的电池组供给碳极电弧以大电流，产生了很强的电孤光，成为爱迪生发明白炽灯泡之前的一种有效的电光源。随着伏打电池的发明，电磁学的研究兴起了高潮，进入了用科学的定量方法来研究的近阶段。7库仑定律库仑定律不仅是电磁学的基本定律，也是物理学的基本定律之一。库仑定律阐明了带电体相互作用的规律，决定了静电场的性质，也为整个电磁学奠定了基础。库仑的工作对法国物理学家的影响还可以从稍后的拉普拉斯的物理学简略纲

19、领得到证实。这个物理学简略纲领最基本的出发点是把一切物理现象都简化为粒子间吸引力和排斥力的现象，电或磁的运动是荷电粒子或荷磁粒子之间的吸引力和排斥力产生的效应。这种简化便于把分析数学的方法运用于物理学。电量的单位是为了纪念库仑而以他的名字命名的。（符号是Q，单位库伦，符号C）1767年，英格兰化学家约瑟夫·普利斯特里猜测电荷之间的相互作用力具有类似于万有引力的平方反比形式。1769年，苏格兰物理学家约翰·罗比逊首次通过实验发现两个带电球体之间的作用力与它们之间距离的2.06次方成反比。1770年代早期，著名英国物理学家亨利·卡文迪什通过巧妙的实验，得出了带电体之间

20、的作用力依赖于带电量与距离，并得出静电力与距离的次方成反比，只是卡文迪什没有公布这个结果。后来，麦克斯韦利用与卡文迪什类似的方法，得出静电力与距离的次方成反比的结果。库仑定律是电学的基本定律，其中平方反比关系是否精确成立尤其重要，而根据现代量子场论，静电力的平方反比关系是与光子的静质量是否精确为零相关的，所以，对静电力的平方反比关系的精确验证，关系着现代物理学基本理论的基础。当前对库仑定律平方反比关系的验证越来越精确，如1971年进行的一次实验，给出库仑定律与平方反比关系的偏差小于。8静电学和库仑定律库仑定律是静电学中的基本定律，其主要描述了静电力与电荷电量成正比，与距离的平方反比关系。人们曾

21、将静电力与在当时已享有盛誉的万有引力定律做类比，发现彼此在理论和实验上都有很多相似之处，包括实验观测到带电球壳内部的球体不会带电，这和有质量的球壳内部物体不会受到引力作用（由牛顿在理论上证明，是平方反比力的一个特征）的情形类似。其间苏格兰物理学家约翰·罗比逊（1759年）2和英国物理学家亨利·卡文迪什（1773年）等人都进行过实验验证了静电力的平方反比律，然而他们的实验却迟迟不为人知。法国物理学家夏尔·奥古斯丁·库仑于1784年至1785年间进行了他著名的扭秤实验3，其实验的主要目的就是为了证实静电力的平方反比律，因为他认为“假说的前一部分无需证明”，也

22、就是说他已经先验性地认为静电力必然和万有引力类似，和电荷电量成正比。扭秤的基本构造为：一根水平悬于细金属丝的轻导线两端分别置有一个带电小球A和一个与之平衡的物体P，而在实验中在小球A的附近放置同样大小的带电小球B，两者的静电力会在轻导线上产生扭矩，从而使轻杆转动。通过校正悬丝上的旋钮可以将小球调回原先位置，则此时悬丝上的扭矩等于静电力产生的力矩。如此，两者之间的静电力可以通过测量这个扭矩、偏转角度和导线长度来求得。库仑的结论为：“对同样材料的金属导线而言，扭矩的大小正比于偏转角度，导线横截面直径的四次方，且反比于导线的长度”夏尔·奥古斯丁·库仑，金属导线扭矩和弹性的理论和实

23、验研究库仑在其后的几年间也研究了磁偶极子之间的作用力，他也得出了磁力也具有平方反比律的结论。不过，他并未认识到静电力和静磁力之间有何内在联系，而且他一直将电力和磁力吸引和排斥的原因归结于假想的电流体和磁流体具有正和负区别的，类似于“热质”一般的无质量物质。静电力的平方反比律确定后，很多后续工作都是同万有引力做类比从而顺理成章的结果。1813年法国数学家、物理学家西莫恩·德尼·泊松指出拉普拉斯方程也适用于静电场，从而提出泊松方程；其他例子还包括静电场的格林函数（乔治·格林，1828年）和高斯定理（卡尔·高斯，1839年）。9对稳恒电流的研究十八世纪末，意大

24、利生理学家路易吉·伽伐尼发现蛙腿肌肉接触金属刀片时会发生痉挛，他其后在论文中认为生物中存在着一种所谓“神经电流”。意大利物理学家亚历山德罗·伏打对这种观点并不赞同，他对这种现象进行研究后认为这不过是外部电流的作用，而蛙腿肌肉只是起到了导体的连接作用。1800年，伏打将锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中，得到了很强的电流，这称作伏打电堆；而将锌片和铜片浸入盐水或酸溶液中也能得到相同的效果，这称作伏打电池。伏打电堆和电池的发明为研究稳恒电流创造了条件。1826年，德国物理学家格奥尔格·欧姆从傅立叶对热传导规律的研究中受到启发，在傅立叶的热传导理论中，导热杆中两点的热流量

25、正比于这两点之间的温度差4。因而欧姆猜想电传导与热传导相似，导线中两点之间的电流也正比于这两点间的某种驱动力（欧姆称之为电张力，即现在所称的电动势）。欧姆首先尝试用电流的热效应来测量电流强度，但效果不甚精确，后来欧姆利用了丹麦物理学家汉斯·奥斯特发现的电流的磁效应，结合库仑扭秤构造了一种新型的电流扭秤，让导线和连接的磁针平行放置，当导线中通过电流时，磁针的偏转角与导线中的电流成正比，即代表了电流的大小。欧姆测量得到的偏转角度（相当于电流强度）与电路中的两个物理量分别成正比和反比关系，这两个量实际相当于电动势和电阻。欧姆于1827年发表了他的著作直流电路的数学研究，明确了电路分析中电压

26、、电流和电阻之间的关系，极大地影响了电流理论和应用的发展，在这本书中首次提出的电学定律也因此被命名为欧姆定律。库仑发现了磁力和电力一样遵守平方反比律，但他没有进一步推测两者的内在联系，然而人们在自然界中观察到的电流的磁现象（如富兰克林在1751年发现放电能将钢针磁化）促使着人们不断地探索这种联系。首先发现这种联系的人是丹麦物理学家奥斯特56，他本着这种信念进行了一系列有关的实验，最终于1820年发现接通电流的导线能对附近的磁针产生作用力，这种磁效应是沿着围绕导线的螺旋方向分布的。10安培的电磁学定理在奥斯特发现电流的磁效应之后，法国物理学家让-巴蒂斯特·毕奥和费利克斯·萨伐

27、尔进一步详细研究了载流直导线对周围磁针的作用力，并确定其磁力大小正比于电流强度，反比于距离，方向垂直于距离连线，这一规律被归纳为著名的毕奥-萨伐尔定律。而法国物理学家安德烈-玛丽·安培在奥斯特的发现仅一周之后（1820年9月）就向法国科学院提交了一份更详细的论证报告78，同时还论述了两根平行载流直导线之间磁效应产生的吸引力和排斥力。在这期间安培进行了四个实验，分别验证了两根平行载流直导线之间作用力方向与电流方向的关系、磁力的矢量性、确定了磁力的方向垂直于载流导体以及作用力大小与电流强度和距离的关系。安培并且在数学上对作用力进行了推导，得到了普遍的安培力公式，这一公式在形式上类似于万有

28、引力定律和库仑定律。1821年，安培从电流的磁效应出发，设想了磁效应的本质正是电流产生的，从而提出了分子环流假说，认为磁体内部分子形成的环形电流就相当于一根根磁针。1826年，安培从斯托克斯定理推导得到了著名的安培环路定理，证明了磁场沿包围产生其电流的闭合路径的曲线积分等于其电流密度，这一定理成为了麦克斯韦方程组的基本方程之一。安培的工作揭示了电磁现象的内在联系，将电磁学研究真正数学化，成为物理学中又一大理论体系电动力学的基础9。麦克斯韦称安培的工作是“科学史上最辉煌的成就之一”，后人称安培为“电学中的牛顿”。11电磁感应现象英国物理学家迈克尔·法拉第早年跟随化学家汉弗里·

29、戴维从事化学研究，他对电磁学的贡献还包括抗磁性的发现、电解定律和磁场的旋光性（法拉第效应）10。在奥斯特发现电流的磁效应之后的1821年，英国哲学学报邀请当时担任英国皇家研究所实验室主任的法拉第撰写一篇电磁学的综述，这也导致了法拉第转向电磁领域的研究工作。法拉第考虑了奥斯特的发现，也出于他同样认为自然界的各种力能够相互转化的信念，他猜想电流应当也如磁体一般，能够在周围感应出电流。从1824年起，法拉第进行了一系列相关实验试图寻找导体中的感应电流，然而始终未获成功。直到1831年8月29日，他在实验中发现对于两个相邻的线圈A和B，只有当接通或断开线圈回路A时，线圈B附近的磁针才会产生反应，也就是

30、此时线圈B中产生了电流。如果维持线圈A的接通状态，则线圈B中不会产生电流，法拉第意识到这是一种瞬态效应。一个月后，法拉第向英国皇家学会总结了他的实验结果，他发现产生感应电流的情况包括五类：变化中的电流、变化中的磁场、运动的稳恒电流、运动的磁体和运动的导线。法拉第电磁感应定律从而表述为：任何封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁通量的变化率。不过此时的法拉第电磁感应定律仍然是一条观察性的实验定律，确定感应电动势和感应电流方向的是俄国物理学家海因里希·楞次，他于1833年总结出了著名的楞次定律11。法拉第定律后来被纳入麦克斯韦的电磁场理论，从而具有了更简洁更深刻的意义。法拉第另一

31、个重要的贡献是创立了力线和场的概念，力线实际是否认了超距作用的存在，这些思想成为了麦克斯韦电磁场理论的基础。爱因斯坦称其为“物理学中引入了新的、革命性的观念，它们打开了一条通往新的哲学观点的道路”，意为场论的观念是有别于旧的机械观中以物质为主导核心的哲学观念詹姆斯·克拉克·麦克斯韦对电磁理论的贡献是里程碑式的1314。麦克斯韦自1855年开始研究电磁学，1856年他发表了首篇专论论法拉第力线15，其中描述了如何类比流体力学中的流线和法拉第的力线，并用自己强大的数学功底重新描述了法拉第的实验观测结果，这部分内容被麦克斯韦用六条数学定律概括。1861年至1862年间，麦克斯韦发

32、表了第二篇电磁学论文论物理力线15，在这篇论文中麦克斯韦尝试了所谓“分子涡流”模型，他假设在磁场作用下的介质中存在大量排列的分子涡流，这些涡流沿磁力线旋转，且角速度正比于磁场强度，分子涡流密度正比于介质磁导率。这一模型能很好地通过近距作用之说来解释静电和静磁作用，以及变化的电场与磁场的关系。更重要的是，它预言了在电场作用下的分子涡流会产生位移，从而以势能的形式储存在介质中，这相当于在介质中产生了电动势，这成为了麦克斯韦预言位移电流存在的理论基础。此外，将这种介质理论应用到弹性波上，可以计算求得在真空或以太中横波的传播速度恰好和当时已知的光速（斐索，1849年）非常接近，麦克斯韦由此大胆预言：“

33、我们难以排除如下的推论：光是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的。”詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，论物理力线1865年麦克斯韦发表了他的第三篇论文电磁场的动力学理论15，在论文中他坚持了电磁场是一种近距作用的观点，指出“电磁场是包含和围绕着处于电或磁状态的物体的那部分空间，它可能充有任何一种物质”。在此麦克斯韦提出了电磁场的方程组，一共包含有20个方程（电位移、磁场力、电流、电动势、电弹性、电阻、自由电荷和连续性方程）和20个变量（电磁动量、磁场强度、电动热、传导电流、电位移、全电流、自由电荷电量、电势）。这实际是8个方程，但到1890年才由海因里希·鲁道夫&

34、#183;赫兹给出了现代通用的形式16，这是赫兹在考虑了阿尔伯特·迈克耳孙在1881年的实验（也是迈克耳孙-莫雷实验的先行实验）中得到了以太漂移的零结果后对麦克斯韦的方程组进行的修改。1887年至1888年间，赫兹通过他制作的半波长偶极子天线成功接收到了麦克斯韦预言的电磁波，电磁波是相互垂直的电场和磁场在垂直于传播方向的平面上的振动，同时赫兹还测定了电磁波的速度等于光速。赫兹实验证实电磁波的存在是物理学理论的一个重要胜利，同时也标志着一种基于场论的更基础的物理学即将诞生。爱因斯坦盛赞法拉第、麦克斯韦和赫兹的工作是“牛顿力学以来物理学中最伟大的变革”，而“这次革命的最大部分出自麦克斯韦

35、”。1000kV晋东南南阳荆门特高压交流试验示范工程起于山西晋东南（长治）变站，经河南南阳开关站，止于湖北荆门变电站。全线单回路架设，全长654公里，跨越黄河和汉江。变电容量600万千伏安。系统标称电压1000千伏，最高运行电压1100千伏，静态投资约57亿元。这条线路于2006年8月开工建设，历经28个月建设完工。 工程于2006年8月取得国家发展和改革委员会下达的项目核准批复文件，同年底开工建设，2008年12月全面竣工，12月30日完成系统调试投入试运行，2009年1月6日22时完成168小时试运行投入商业运行。从2004年底开始前期工作以来，我国仅用四年时间，建成了目前世界上运行电压最

36、高、技术水平最先进、我国拥有自主知识产权的交流输电工程，标志着我国在远距离、大容量、低损耗的特高压输电核心技术和设备国产化上取得重大突破，是我国能源基础研究和建设领域取得的世界级重大创新成果，是世界电力发展史上的重要里程碑。工程的成功建设对保障国家能源安全和电力可靠供应具有重要意义。据湖北省输变电工程公司有关负责人介绍，这个特高压工程满负荷运行后，可为湖北省新增北方火电约300万千瓦，每年可为湖北节约电煤700余万吨。这对于电煤外购比重超过90%的湖北来说，相当于为湖北“支援”了一个葛洲坝电站。这条特高压线路将成为世界上第一条投入商业化运行的1000千伏输电线路，可实现华北电网和华中电网的水火

37、调剂、优势互补。与500千伏超高压电网相比，特高压电网可以解决我国现有电网输送能力不足的问题，有助于提高输电效率、降低线路损耗、减少投资成本、节约土地资源。通过工程实践，我国全面建成了世界一流的特高压试验研究体系，全面掌握了特高压交流输电核心技术，全面建立了特高压交流输电标准体系，全面实现了国内电工装备制造的产业升级，全面验证了特高压交流输电的技术可行性、设备可靠性、系统安全性和环境友好性，全面培养锻炼了技术和管理人才队伍。特高压交流输电在我国已具备大规模应用条件。特高压输电技术和相应的设备制造技术是世界电力科技领域和电工设备制造领域的前沿技术。试验示范工程所用的1000千伏电抗器、1000千

38、伏高压交流变压器等关键设备绝大部分由国内重点制造企业研制，证明我国具备了特高压输变电工程自主设计、设备研发和施工建设的能力。向家坝-上海±800kV特高压直流示范工程2009年12月26日上午09：57分，伴随着奉贤换流站主控室内热烈的欢呼声，主控计算机显示屏定格在直流800千伏，由我国自主设计、自主建设的向家坝-上海±800kV特高压直流示范工程奉贤换流站极I 800kV直流系统和直流线路成功升压至800kV。这标志着世界上输送容量最大、送电距离最远、技术水平最先进、电压等级最高的直流输电工程全线带电成功。国家电网公司党组成员、副总经理郑宝森，总经理助理兼特高压部主任孙昕

39、，总工程师张丽英，调试专家组成员，公司总部办公厅、特高压部、基建部、生技部、国调中心、直流建设分公司、运行分公司、信通公司、中国电科院、华东电网、上海电力公司及相关设计、监理、施工等单位领导和代表共同见证了这一历史时刻。向家坝-上海±800kV特高压直流示范工程率先实现了直流输电的电压、电流双提升、双突破，开创了世界直流输电技术的新纪元，为国际电工界树立了新的技术里程碑。工程的成功带电，对建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的坚强智能电网意义重大。是引领世界直流输电技术发展的创新工程，是我国特高压输电设备自主化的重要依托工程，是超大规模、超大范围配置能源资源的系统工程。对于电

40、力工业的科学发展和创新发展，对于能源基地的大规模开发和电力外送，对于促进清洁能源的快速发展，对于满足东部地区日益增长的负荷发展需要，都具有重要意义和深远影响。向家坝-上海±800kV特高压直流示范工程全线带电成功向家坝-上海±800kV特高压直流示范工程建设规模大、难度高，时间紧迫、任务艰巨。特别是工程用特高压设备大多属世界首创，研发难度极大；主要设备供货厂家分布在瑞典、德国和国内沈阳、西安、秦皇岛、常州等地，大型设备运输跨海越洋，最远运输距离达11000海里，运输批次多，制约因素多，运输方式复杂，确保所有换流变安全按期运抵现场的难度极大。面对重重困难，广大建设者在国家电网

41、公司坚强领导下，发扬“六个特别”的特高压精神，锲而不舍、攻坚克难，在科技攻关、工程设计、设备研制和施工建设等方面不断取得新成果、实现新突破，有力保证了工程建设的顺利实施。自2007年12月正式开工建设以来，仅用一年的时间建成了近2000公里线路，仅用两年的时间即实现了直流设备全压带电。中国需要发展特高压电网的原因： 特高压电网最大特点就是可以长距离、大容量、低损耗输送电力。据测算，1000千伏交流特高压输电线路的输电能力超过500万千瓦，接近500千伏超高压交流输电线路的5倍。±800千伏直流特高压的输电能力达到700万千瓦，是±500千伏超高压直流线路输电能力的2.4倍。

42、 我国76%的煤炭资源分布在北部和西北部；80%的水能资源分布在西南部；绝大部分陆地风能、太阳能资源分布在西北部。同时，70%以上的能源需求却集中在东中部。能源基地与负荷中心的距离在1000到3000公里。 在负荷中心区大规模展开电源建设显然会受到种种制约。比如煤炭运输问题、环境容量问题等等。而且，建设火电还可以靠煤炭运输，而水电、风电由于不可能把水和风像煤那样运输，因此就更是无法实现。一边是无法大规模建设电源点，一边又守着水能、风能等宝贵的清洁能源望洋兴叹，可见在负荷中心大规模开展电源建设这条思路是不可行的。 首先从资源优化配置来看，随着我国能源战略西移，大型能源基地与能源消费中心的距离越来

43、越远，能源输送的规模也将越来越大。在传统的铁路、公路、航运、管道等运输方式的基础上，提高电网运输能力，也是缓解运输压力的一种选择。以目前已经投运的1000千伏特高压示范工程为例，目前每天可以送电200万千瓦，改造后可以达到500万千瓦，这相当于每天从山西往湖北输送原煤2.5万吨6万吨。湖北媒体说，这相当于给湖北“送”来了一个葛洲坝电站。 再看经济效益，目前西部、北部地区电煤价格为200元/吨标准煤。将煤炭从当地装车，经过公路、铁路运输到秦皇岛港，再通过海运、公路运输到华东地区，电煤价格则增至1000多元/吨标准煤。折算后每千瓦时电仅燃料成本就达到0.3元左右。而在煤炭产区建坑口电站，燃料成本仅

44、0.09元/千瓦时。坑口电站的电力通过特高压输送到中东部负荷中心，除去输电环节的费用后，到网电价仍低于当地煤电平均上网电价0.060.13元/千瓦时。 特高压更是清洁能源大发展的必要支撑。只有特高压才能够解决清洁能源发电大范围消纳的问题。前一段时间，内蒙古风电“晒太阳”送不出的问题广受关注。事实上，我国风电主要集中在“三北”地区，当地消纳空间非常有限。风电的进一步发展，客观上需要扩大风电消纳范围，大风电必须融入大电网，坚强的大电网能够显著提高风电消纳能力。特高压电网将构成我国大容量、远距离的能源输送通道。据测算，如果风电仅在省内消纳，2020年全国可开发的风电规模约5000万千瓦。而通过特高压

45、跨区联网输送扩大清洁能源的消纳能力，全国风电开发规模则可达1亿千瓦以上。电力工业的建立至今已有一个多世纪的历史。今天，电与人们的生产、生活、科学技术研究和社会文明建设息息相关，对现代社会的各个方面已产生直接或间接的巨大作用和影响，已成为现代文明社会的重要物质基础。 1799年物理学家伏特发明第一个化学电池，人们开始获得连续的电流。随后，安培、欧姆、亨利、法拉第、爱迪生、西门子、楞次、基尔霍夫、麦克斯韦、赫兹、特斯拉、威斯汀豪斯等一大批电气工程界的伟大先驱们创造了一系列理论与实践成果，为电力工业的诞生开辟了现实的途径。 1831年，法拉第发现电磁感应原理，并制成最早的发电机法拉第盘（Fradays Disk），奠定了发电机的理论基础。 1866年，西门子发明了自励磁发电机，并预见：电力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元（几乎同时，王尔德（Wilde） 等人也发明了自励磁发电机，但西门子拥有优先权）。 1870年，比利时的格拉姆（Gramme）制成往复式蒸汽发电机供工厂电弧灯用电。 1875年，巴黎北火车站建成世界第一个火电厂，用直流发电供附近照明。 1879年，旧金山建成世界第一座商用发电厂，两台发电机供22盏电弧灯，收费$10/灯周。同年，先后在法