电气工程简史

1、电气工程简史电气C143 王广贺中国古代的电磁学 司南之杓，投之於地，其柢指南。 【论衡-是应】 鬼谷子谋篇第十中有“故郑人取玉也，载司南之车，为其不惑也。夫度材量能揣情者，亦事之司南也”。中国古代的电磁学 上有慈石者下有铜金。 【管子】 其察言也不失，若磁石之取铁。【鬼谷子】 慈石召铁，或引之也。 【吕氏春秋】 今人梳头、脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有咤声。 【博物志】方家以磁石摩铁峰，则能指南，然常微偏东，不全南也。 【梦溪笔谈】古代西方世界的电磁学发电鱼琥珀泰勒斯Thales, 640-546B.C.指南针的传入让西方航海业迅猛发展 卡拉维尔帆船1415年与1416年，恩里克曾两次派

2、人去探索了加那利群岛。1418年，葡萄牙探险家意外地发现了马德拉群岛的圣港岛。1469年1472年葡萄牙人发现了圣多美和普林西。1488年，迪亚士进入非洲南端的莫塞尔湾。De Magnete【论磁石】1628年版古代西方世界的电磁学威廉吉尔伯特（William Gilbert，1544年5月24日1603年12月10日）De MagneteDe MagneteIn De Magnete, Gilbert also studied static electricity produced by amber. Amber is called elektron in Greek, and electr

3、um in Latin, so Gilbert decided to refer to the phenomenon by the adjective electricus, giving rise to the modern terms electric and electricity.in thinnest aether, or in the most subtle fifth essence, or in vacuity how shall the stars keep their places in the mighty swirl of these enormous spheres

4、composed of a substance of which no one knows aught?莱顿瓶Pieter van Musschenbroek (14 March 1692 19 September 1761) 莱顿瓶（Leyden jar）是一种用以储存静电的装置，最先由Pieter van Musschenbroek在荷兰的莱顿试用。作为原始形式的电容器，莱顿瓶曾被用来作为电学实验的供电来源，也是电学研究的重大基础。莱顿瓶的发明，标志着对电的本质和特性进行研究的开始。富兰克林的贡献 静电感应是物体内的电荷因受外界电荷的影响而重新分布。 这个现象由英国科学家约翰坎通和瑞典科学

5、家约翰卡尔维尔克分别在1753年和1762年发现。 学术界归功富兰克林为这定律的创建者。“富兰克林电荷守恒定律”表明，在任何绝缘系统内，总电荷量不变。本杰明 富兰克林 本杰明富兰克林（Benjamin Franklin，1706年1月17日1790年4月17日）， 出生于美国麻省波士顿，是美国著名政治家、科学家，同时亦是出版商、印刷商、记者、作家、慈善家； 本杰明富兰克林曾经进行多项关于电的实验，并且发明了避雷针。他还发明了双焦点眼镜，蛙鞋等等。 本杰明富兰克林是共济会的成员，被选为英国皇家学会院士。他亦是美国首位邮政局长。富兰克林避雷针避雷针，或称引雷针、镦针，可以称为避雷导线，。是一种用于

6、牵制闪电的电击到地面的设备，它是一种能截引闪电，将闪电的电流导入地下装置，并能在一定的面积范围内保护地面建筑物或电力设备，使受电击物备免受雷电破坏的金属物装置。常用的制造材料为铜。伏打电堆 伏打电堆（Voltaic pile），又名伏打堆，是最早出现的化学电池。 伏打电堆由很多个单元堆积而成，每一单元有锌板与铜板各一，其中夹着浸有盐水的布或纸板。 亚历山德罗朱塞佩安东尼奥阿纳斯塔西奥伏打（Count Alessandro Volta，1745年2月18日1827年3月5日），意大利物理学家，在19世纪因发明电池而闻名，后来受封为伯爵。伏打电堆原理它包括两个电极：一种是锌，一个是铜。电解液可以是

7、硫酸混合水或海水卤水的形式。电解液中存在的形式为2H+和SO42-。锌比铜和氢在电化学系列更高，反应带负电荷的硫酸根（SO42-），带正电的氢离子（质子）从所述铜捕获电子，形成氢气的气泡。这使得锌棒为负电极和铜棒为正极。因此，有两个终端，而且当他们连接时电流将会流通。伏打电池的化学反应如下所示：zincZn Zn2+ + 2esulfuric acid2H+ + 2e H2铜不反应，它的功能是作为电流的电极。 然而，这种电池也有一些缺点。它的处理不安全，因为硫酸即使被稀释，可能还是会有危险。另外，电池的功率因为氢气不会被释放会随着时间的推移减小。 相反，它积累在锌电极的表面上，形成金属与电解质

8、溶液之间的屏障。库仑定律 库仑定律（Coulombs law），法国物理学家查尔斯库仑于1785年发现，因而命名的一条物理学定律。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律。 电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。库仑定律阐明，在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距离平方成反比，与电量乘积成正比，作用力的方向在它们的连线上，同号电荷相斥，异号电荷相吸。库仑定律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。177

9、0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。 对稳恒电流的研究 从左至右分别是 汉斯奥斯特Hans rsted，1777年1851年 格奥尔格西蒙欧姆Georg Simon Ohm，1789年1854年7 安德烈-马里安培Andr-Marie Ampre，1775年1836年 于 1820 年，奥斯特意外地发现他首先发现载流导线的电流会作用于磁针，使磁针改变方向，从此举世闻名，得到很多奖章与荣誉。奥

10、斯特欧姆定律 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，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。欧姆定律 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、电

11、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。V=IR安德烈- -玛丽 安培Andr-Marie AmpreAndr-Marie Ampre 出生 1775年1月20日 法国里昂 逝世 1836年6月10日（61岁）法国马赛 居住地法国 国籍 法国 法国 著名成就安培定律 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，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、

12、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引力定律和库仑定律。安德烈- -马里 安培安德烈- -马里 安培 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

13、正数学化，成为物理学中又一大理论体系电动力学的基础。 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”。迈克尔 法拉第Michael FaradayMichael Faraday，17911791年18671867年 出生1791年9月22日英国纽因顿 逝世1867年8月25日（75岁）英国伦敦汉普顿宫 研究领域物理学、化学 著名成就电磁感应迈克尔 法拉第 虽然没有得到足够的正式教育，法拉第是历史上最具有影响力的科学家之一。 实际而言，他时常被认为是科学史上最优秀的实验家。 他发现了电磁感应的原理、抗磁性、法拉第电解定律。他发明了一种电磁旋转机器，这就是今天电动

14、机的雏型。 由于法拉第的努力，电磁现象开始出现于具有实际用途的科技发展。 迈克尔 法拉第 法拉第在化学上也颇有建树，他发现了苯。 法拉第是一位优秀的实验家，能够用清楚与简单的语言传达思想，但其数学能力只限于最简单的代数，对其它更高阶的数学像是三角学并不熟悉。 1851年，法拉第提出了场线的概念法拉第电磁定律 此定律于1831年由迈克尔法拉第发现，约瑟亨利则是在1830年的独立研究中比法拉第早发现这一定律，但其并未发表此发现。故这个定律被命名为法拉第定律。 电动势的方向（公式中的负号）由楞次定律提供。约瑟亨利海因里希楞次詹姆斯 克拉克 麦克斯韦James Clerk MaxwellJames C

15、lerk Maxwell出生 1831年6月13日英国苏格兰爱丁堡逝世 1879年11月5日（48岁）英国英格兰剑桥国籍 苏格兰研究领域物理学、数学著名成就 麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组Maxwells equationsMaxwells equations 英国物理学家詹姆斯麦克斯韦在19世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。 描述电荷如何产生电场的高斯定律； 论述磁单极子不存在的高斯磁定律； 描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律； 描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组这术语原本指的是麦克斯韦于1865年在论文

16、电磁场的动力学理论提出的一组八个方程。麦克斯韦1865年提出的最初形式的方程组由20个等式和20个变量组成。他在1873年尝试用四元数来表达，但未成功。现在所使用的数学形式是奥利弗亥维赛和约西亚吉布斯于1884年以矢量分析的形式重新表达的。微观麦克斯韦方程组表格宏观麦克斯韦方程组表格海因里希 赫兹Heinrich HertzHeinrich Hertz 海因里希赫兹（Heinrich Hertz，1857年2月22日1894年1月1日），德国物理学家，于1887年首先用实验证实了电磁波的存在，并于1888年发表了论文。 他对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。发电机发

17、电机是把动能或及其它形式的能量转化成电能的装置。发电机主要结构：发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。发电机的原理示意图美国NRCNRC的现代蒸汽涡轮发电机俄罗斯哈萨克斯坦的水力发电机北美防空司令部地下的备用发电机组交流电发电机发展史 当发现了电磁感应后，产生交流电流的方法则被晓得。早期的成品由迈克

18、尔法拉第与波利特皮克西等人开发出来。 1866年，维尔纳冯西门子提出了发电机的工作原理，并由西门子公司的一名工程师完成了人类第一台交流发电机。 1882年，英国电工詹姆斯戈登建造了大型双相交流发电机。开尔文勋爵与塞巴斯蒂安费兰蒂开发早期交流发电机，频率介于100赫兹至300赫兹之间。 1891年，尼古拉特斯拉取得了“高频率”（15,000赫兹）交流发电机的专利。 1891年后，多相交流发电机被用来供应电流，此后的交流发电机的交流电流频率通常设计在16赫兹至100赫兹间，搭配弧光灯、白炽灯或电动机使用。直流发电机 電磁誘導法則用、1832年交流発電機原型手回発電機（）発明。 交流生、提案交流直流

19、変換整流子発明。 完全電磁誘導理解、今利用発電機電動機原型言。波利特皮克西恩斯特 维尔纳 冯 西门子Ernst Werner von SiemensErnst Werner von Siemens 恩斯特维尔纳冯西门子，德国发明家、企业家、物理学家、电报大王，铺设、改进海底、地底电缆、电线，修建电气化铁路，提出平炉炼钢法，革新炼钢工艺，西门子公司创始人之一。 国际单位制中导纳的单位西门子也是因纪念他而得名。 美国专利 415,577 电动机（1889-11-19） 美国专利 428,290 电动机（1890-05-20） 美国专利 520,274 电气化铁路（1894-05-22）美国专利 4

20、15,577 415,577 电动机直流发电机发展史 直流发电机是发电机的一种，它可将机械能转换成直流电的发电机。 1882年：爱迪生电灯公司在伦敦建立了第3座发电站，安装了3台110伏特直流发电机，可为1500个16瓦的白炽灯供电。托马斯 阿尔瓦 爱迪生Thomas Alva EdisonThomas Alva Edison 美国发明家、商人，拥有众多重要的发明专利，是世界上第一个利用大量生产原则和其工业研究实验室来进行发明创造的人。 发明了留声机、电影摄影机、钨丝灯泡和直流电力系统等。 在美国，爱迪生名下拥有1093项专利，而他在美国、英国、法国和德国等地的专利数累计超过1500项。 他于

21、1892年创立通用电气公司。尼古拉 特斯拉 塞尔维亚裔美籍发明家、物理学家、机械工程师、电机工程师和未来学家。 他被认为是电力商业化的重要推动者，并因主要设计了现代交流电力系统而最为人知。 在迈克尔法拉第发现的电磁场理论的基础上，特斯拉在电磁场领域有着多项革命性的发明。他的多项相关的专利以及电磁学的理论研究工作是现代的无线通信和无线电的基石。特斯拉与交流发电机 1878年，爱迪生在纽约与几位金融家，包括JP摩根和Vanderbilt家族组建爱迪生电灯公司。 爱迪生电灯公司所在地位于洛帕克街，在于1879年除夕爱迪生让他所发明的灯泡，散落于洛帕克街上，使得整条街灯火通明。也使得这是第一条灯火通明的街道。爱迪生在他的爱迪生电灯公司内的实验室制作灯泡。US281351电动机发展简史 1740年，第一个电动马达是由苏格兰僧侣安德鲁戈登（Andrew Gordon）创建的简单的静电设备。 1827年，匈牙利物理学家安幼思杰德利克（nyosJedlik）开始尝试用电磁线圈进行实验。杰德利克解决一些技术问题后，称他的设备为“电磁自转机”。虽然只用于教学目的，但第一款杰德利克的设备已包含今日直流电动机的三个主要组成部分：定子，转子和换向器。电动机发展简史1 8