电气工程概论-4

电学的发展历程古希腊著名自然哲学家泰利斯第一次记载摩擦起电现象。凡是经过摩擦能产生电的物体统称为“电体”，经摩擦后不能产生电的物体称为“非电体”。之所以无法通过摩擦使金属带电，是因为摩擦产生的电通过良导体金属“跑”掉了，而不能导电的绝缘体经过摩擦产生的电，则可以长时间地停留。改进后的莱顿蓄电瓶也只是一个大的玻璃瓶。莱顿蓄电瓶实际上是一只大的平板电容器。瓶的内外两个面上的铅箔即是电容器的两块平板电极A和B；玻璃瓶壁就是夹在两块金属平板之间的绝缘体。富兰克林进行了天电试验——著名的“风筝”实验。根据天电和地电的统一性，富兰克林想到利用尖端放电原理将天空的雷电引入地面，以避免建筑物遭雷击。所以，富兰克林制成了世界上第一根避雷针。这是用绝缘支架固定在屋顶上的一根竖直的金属棒，在棒上栓一根直通地下的金属导线。富兰克林第一个指出:经过丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷，用毛皮擦过的硬橡胶棒带负电荷。正确解释摩擦起电现象：物体在未经摩擦前，处于电平衡状态，物体既不多余电荷，也不缺少电荷：经摩擦之后，电荷在相互摩擦的物体之间进行重新分配，当物体多余出电荷时，该物体就表现为带正电状态，另一物体由于缺少电荷就显出带负电状态。物体带电是由于多余或缺少电子的缘故，正电恰好意味着电子的缺失，负电才是电子的多余。库仑定律：电的的引力或斥力与两个小球上的电荷之积成正比，与两个小球球心之间的距离的平方成反比。解剖学家教授伽伐尼，成了世界上第一个发现电荷流动——电流现象的人。伏打继续用各种金属做实验，发现不同种类的金属同时接触电解质溶液时都会产生电位差和引起电流，在蛙腿颤动的实验中，蛙腿内部的体液就是一种能导电的电解质。根据大量的实验结果，伏打得出了著名的伏打序列：锌、锡、铅、铜、银、金…他发现，只要将这个序列里前面的金属与后面的金属相接触，前者就带正电，后者带负电，在序列中，两种金属的距离越远，带电量越多。伏打成功创造了历史上第一个电池，“伏打电池”。他用很多铜片和锌片分别连接起来，分别成为电池的正、负两个电极。奥斯特发现电流产生磁的现象，即电流的磁效应现象。通电导线周围确确实实出现了磁场。安培提出磁针转动方向与电流方向之间关系的右手定则。安培进一步提出了分子电流假说。他认为，物体内部的每一个分子中都带有回旋电流，因而构成了物体的宏观磁性。化学家戴维发现：凡是在铁和钢块外面绕上通电的金属导线时，该铁块或钢块就变成了磁铁。于是人造磁铁——电磁铁出现了。欧姆定律：通过导体的电流与电势差成正比，与电阻成反比。电流对磁铁的作用力本质上是圆形的。法拉第发现：只有当导线在磁场里作切割磁力线的运动时，线圈中才有感应电流产生。线圈切割磁力线实际上就是线圈中央空间内的磁场发生了变化，因为线圈内磁力线数目的多少就代表磁场的强弱。因此可以说:只要导线线圈内的磁场发生变化时，线圈两端就会有感应电动势产生，从而产生了感应电流。线圈导线切割磁力线的速度越快，即线圈在磁场中运动的速度越快，所产生的电流就是越大。法拉第发现了自感现象。还创造了“场”和“力线”的概念。把摸不着、看不见的介质称作“场”。电流的大小与所切割的磁力线数成正比。动力世界人们建立了产生、利用和传输电的系统，包括发电、输电、配电和用电的各个环节，即发电机、输配电网络、照明电灯和电动机，我们称之为动力系统。实际中电动机先出现。电动机是动力系统的一个重要的用电环节，也叫驱动装置。爱迪生在研制电灯的过程中，发现通电的灯丝与灯泡内的金属板之间有电流流过，即爱迪生效应。利用爱迪生效应，物理学家弗莱明发明了电子二极管，电子管的出现引致了电子信息技术的革命。交流电动机起源于旋转磁场的发现。变压器所通的电流必须是交变电流。直流电在传输的过程中损耗严重，在远距离传输中存在致命缺陷：为了减少路耗，必须提高输电电压。使用三相交流电实现远距离输电之后，电力的优越性被充分展示出来：第一，电力可以大规模集中生产，然后通过高压线传送到一切需要电的地方。第二，电能可以转化为各种各样的能量形式，以满足生产和生活各方面的需要。第三，电能转化为其他能量形式时，转化效率高，易于管理和控制。麦克斯韦发现电磁波。赫兹验证了电磁波的存在。赫兹计算出不同波长的电磁波的传播速度都等于光速。光在本质上是电磁波。电解定律预示了电子的存在。电解定律得出下述两个结论：第一，电解分离出一价元素的一个原子所需要的电量是最小的电量，以q为符号代表电量的最小值。第二，电解分离出n个化合价的元素的每一个原子所需要的电量都是q的n倍，其中整数n就是该元素的化合价。汤姆逊发现电子。电子所带的电量是最小的，物体之所以带电是因为该物体的原子得到或失去电子的结果，于是，所带的总电量一定是电子所带的电量的n倍。电子的定向运动产生电流。良好的导电物质往往是良好的导热物质。光现象的电本质：光是原子中的电子在各层轨道之间跳跃的产物。电子的跳跃产生了光。磁起源于电子的旋转运动。标志着电子信息世界前进步伐的关键器件是：电子管，晶体管，集成电路。信息世界分为三大领域：通信、计算机、控制。所谓通信，就是在不同的地点或人之间传递消息。通信分为有线通信和无线通信。有线通信又分为：电报、电话、传真。无线通信又分为：无线电报、广播、电视、移动电话。计算机有:机械计算机、电动计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机、个人计算机。控制就是自动控制，是在没有人直接参与的情况下，利用设计好的控制装置，自动地操纵机器设备或生产过程，使设备或过程犹如人们期望的方式运行。所谓反馈，就是把控制系统的实际输出反送回到输入端，与给定的理想值进行比较，从而产生偏差量，再根据偏差量的大小调整控制系统的输出，最终使得系统的实际输出量等于给定的理想值，消除偏差。稳定是控制系统正常工作的前提。经典控制理论的研究对象是单输入单输出的线性定常的系统。电类专业指引围绕着电作为能源和作为信息载体这两大用途，电气化世界分为动力和信息两大领域。动力领域的主要研究对象是电能，研究电能的产生、传输、转换和利用。围绕电能的产生、传输、转换和利用中的不同环节的对象，动力领域分为热能与动力工程、电力系统及其自动化、新能源及其利用三个专业。信息领域的主要研究对象是电信息，研究如何利用电来传输和处理信息。根据研究的具体对象不同，它又分为电子信息工程、自动控制、计算机科学与技术三个专业。所有电类专业的公共点在于：研究电和利用电。研究电的理论基础是：物理学中的电学和磁学。利用电的专业基础是：电工理论，包括电路理论和电磁场理论。电类专业的动力领域主要研究的是：电作为能源，如何方便、高效地为人类提供动力。动力领域包括热能与动力工程、电气工程及其自动化、新能源及其利用三个专业。热能与动力工程是研究发电技术的专业，主要研究火力发电和水力发电技术。电气工程及其自动化是研究电能的利用、各类电气设备的研制、并利用电气技术不断完善电气系统的一门学科，国内的电气工程及其自动化专业主演研究电力系统的自动控制技术及其安全运行问题。由发电、送电、变电、配电和用电五个环节组成的整体就叫电力系统。电气工程及其自动化专业与热能与动力工程专业是有实质性区别的：热能与动力工程研究的是其他能源转换成为电能的过程及相关设备，电气工程及其自动化研究的是电能的传输和利用。电气工程及其自动化专业的主要研究内容包括两个方面：一是电能的传输与利用过程所需要的电气设备的设计与制造；二是电力系统的运行与管理。新能源及其利用是研究自然界中的风能、太阳能、地热能、生物能、核聚变能和海洋能等新的能演形式，并对其进行合理利用的技术。核能从能量转换的角度来看，它是经过由重核裂变能→热能→机械能→电能的转换过程。电类专业的信息领域主要研究的是：电作为传递信息的载体，如何方便、高效地传递文字、声音、图像和数据等各式各样的信息。信息领域包括电子信息工程、自动控制、计算机科学与技术三个专业。电子信息工程是研究利用电子进行信息的记录和传递的专业。电子信息系统包括：电报系统、电话系统、电视系统、数据通信系统、多媒体通信系统。自动控制技术用于研制各类自动控制系统，以便代替人类进行各类复杂或繁重甚至危险的工作。控制理论分为经典控制理论和现代控制理论，这两类控制理论分别适用于分析和设计不同类型的控制系统。经典控制理论采用的是试探法。计算机科学与技术研究的是具有各类功能的计算机，用于代替人类进行各类复杂、快速的运算和推理。计算机最基本的功能是计算和推理。计算机主要包括五大部分：运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置，其中运算器和控制器已经集成为中央处理器，即CPU芯片。专业选择与专业人生定位选择适合自己的专业的原则是顺从自己的兴趣爱好和特长。需要提早确定职业目标的原因是:第一，不同的就业方向，所需要的知识是不一样的。第二，不同的职业目标所需要的各类知识的深度和广度不一样，职位越高，需要的知识面越宽，也需要对某一类的知识把握得很好。如何打造专业基础：首先，根据自己的职业目标，确定这一职业目标所需要的基础课程和专业基础课程。其次，在确定了所有的基础课程之后，务必对基础课程反复研读，以求全面掌握。再次，在实践中不断巩固基础。所有基础知识，只有到了用的时候，才真正体会到它的重要和它对于实际工作的影响。专业技能就是具体从事专业工作需要的工具性知识，也称为专业工具。成功的专业人生公式是：强烈的愿望+恰当的引领+有力的行动→辉煌的专业成就。课程名称：电气工程学科概论电学的起源：掌握电学发展历程中的六件重要事件一、摩擦起电公元前585年，泰利斯发现摩擦起电(电=磁)1600年，吉尔伯特指出电磁之间差别，并定义“电体”与“非电体”(电≠磁)1660年，葛利克制成摩擦起电机并观察到带电体的放电现象1709年，霍克斯贝改进摩擦起电机二、莱顿蓄电瓶的发明1745年，荷兰莱顿居民卡那阿斯发现盛水的大玻璃瓶能蓄电。大学教授马森布罗克做实验证实——莱顿蓄电瓶出现。法国科学家诺莱特等人改进莱顿蓄电瓶。莱顿瓶的实质——电容器。三、征服雷电1752年7月，富兰克林进行风筝实验——揭示闪电本质1753年，富兰克林发明避雷针——雷电被征服富兰克林利用天电充电进行大量实验，解释物体带电原因，并提出电荷概念四、电流的发现18世纪70年代，卡文迪什提出电荷力与电荷间的距离的平方成反比，并提出静电电容、电容率、电势等概念。1785年，库仑提出库仑定律，并做实验证明——电学进入定量计算和精密测量阶段1780年，伽伐尼发现电流——电学从静电研究到电流研究1800年，伏打发明伏打电池五、电产生磁1820年4月，奥斯特发现电流的磁现象1820年底，安培提出安培定律，规定电流方向，并提出分子电流假说1826年，欧姆提出欧姆定律六、转磁为电在经历的无数次失败后，法拉第终于在1831年11月提出电磁感应定律。自此，人们打开电力世界的大门，大规模的实际应用成为可能。此后，法拉第还发现自感现象，提出场和力线的概念，预言电磁波的存在……电气化世界建立的基础标志：转磁为电成功七、拉开电气化世界的帷幕1878年，莫尔建立起第一条有线电报线——揭开近代通信的序幕1879年，爱迪生创造白炽灯成功——世界开始享受光明1895年，马可尼实现了无线电通信——揭开无线电通信的帷幕1928年，兹沃里金研制电子显像管成功——电视成为大众娱乐中心和传播媒介1945年，莫克莱研制计算机成功。动力系统构成12发电，输电、配电，用电；关键技术：1电动机和发电机：电动机理论基础：电流磁效应、安培定律。发电机理论基础：电磁感应定律。由于直流电机成本昂贵、常出事故，而交流电可以随意变压、灵活使用，人们开始研究交流电机。1891年后，三相制交流电推广，交流电机开始广泛使用。2照明电灯和输配电网络1809年，戴维发明弧光灯（光线强，成本高，不适合家庭使用）1854年，戈贝尔制成白炽灯，但是寿命不长。1879年，爱迪生发现碳化后竹子纤维适合作为白炽灯灯丝，开始大批量生产白炽灯。1879年，爱迪生在纽约建成当时最大规模的输配电网络输配电网络的建立促使与之相关的行业产品不断涌现，从此电力行业迅速发展3交流发电站与远距离输电1882年，德波里建成第一条远距离直流输电线路。旋转磁场的发现使交流电机的发明成为可能。自感现象的发现使变压器的制造成为可能。1891年，第一条三相交流输电系统建成，并运行成功，效果良好。电力的优越性：可集中生产，方便传输；能量转化灵活；易于管理和控制信息系统的构成法拉第发现电磁感应现象后三十年：19世纪60年代，麦克斯韦创立电磁学理论，麦克斯韦电磁场理论为无线电子学奠定基础，对电学的发展具有深远意义。1887年，赫兹用实验验证了电磁波的存在。构成：信源，信道，信宿信息系统的关键技术通信，计算机，控制三大技术1868年，麦克斯韦发表“论调速器”，标志着自动控制理论的诞生。以控制技术为支撑，计算机技术和通信技术的融合，人类进入信息社会的新时代。电类专业的分支及其联系14围绕着电作为能源和信息载体这两大用途，电类专业可以划分为动力和信息两大领域。联系：动力领域主要研究对象是电能，研究电能的产生、传输、转换和利用，电类专业的动力领域主要研究的是：电作为能源，如何方便、高效地为人类提供动力。信息领域的主要研究对象是电信息，研究如何利用电来传输和处理信息，主要研究的是：电作为传递信息的载体，如何方便、高效地传递文字、声音、图像和数据等各式各样的信息。所有电类专业的共同点在于：研究电和利用电。为了能够研究电和利用电，电类的所有专业都需要习和掌握如下的课程：◆理论基础：高等数学、工程数学、电学和磁学◆专业基础：电路理论和电磁场理论。电气工程专业的知识结构14专业定位的原则与方法12每个人应该按照自己的心愿，根据自己的兴趣爱好和特长，根据自己的综合素质，选择合适自己的专业，确定自己所在领域的职业目标。方法：适合自己的专业才是最好的专业！在选择专业的时候，可以通过非专业途径和专业途径了解自己应该寻找足够的证据，证实自己的兴趣爱好和特长到底在于什么方面。此外，还应该详细了解和自己兴趣爱好和特长相关的专业，在了解自己的天赋之后，需要证实自己是否真正喜欢某个专业，并对这个专业是否具有较好的领悟能力，具体做法是：根据自己的天赋，确定一些备选的专业，然后详细了解备选专业的情况。★首先，必须根据自己的职业目标打造专业的基础，相当于打造“专业大厦”的基础。★然后，在基础知识和专业基础学习的基础上，根据自己的职业方向学习一个专业的专业知识，这相当于构建“专业大厦”的框架。★最后，根据自己的职业方向和个性特点学习和训练自己的专业技能，这相当于在“专业大厦”楼层里规划和间隔房间并进行装修选择适合自己的专业 ◆建设专业大厦◆打造专业基础◆构建专业框架