第二章 电气工程发展简史

西门子与他的自激式发电机
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电气科学与工程的发展简史
时间
1873年
典型事件及意义
麦克斯韦方程组 建立了电磁学理论， 预言了电磁波
电灯泡的发明
代表人物
Maxwell(麦克斯韦，英国)
1879年
Edison
(爱迪生 美国) Hendrik Anoen Lorentz (洛仑兹)
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• 1853年，亥尔姆霍兹提出电路中的等效发电机原 理。一个线性含有电源的一端口网络，对外电路 而言，可以简化为一个电压源和一个电阻的串联 电路来等效替代。 • 1855年汤姆逊发表了电缆传输理论论文，他采用 电容、电阻构成的梯形电路，来构成长距离电缆 的等效电路模型，分析了电报信号经过长距离传 送所产生衰减、延迟、失真的原因。
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3.2 电工理论的建立
3.2.1 电路理论的建立
• 1778年，伏特就提出电容的概念，导体上储存电 荷Q＝CU。 • 1826年欧姆发表欧姆定律。 • 1831年法拉第发表电磁感应定律。 • 1832年亨利提出了表征线圈中自感应作用的自感 系数L，即磁通Φ ＝Li。 • 俄国楞次提出：导体中由电磁感应产生的电流， 也遵守欧姆定律。
第一台实用的直流发电 Hippolyte Pixii 机 （皮克斯，法国）
1834年
第一台实用的电动机
1866年
第一台自激式发电机
Moritz Hermann Von Jaccobi (雅可比，德籍俄国) Ernst Werner Von Siemens (西门子，德国)
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• 爱迪生曾说：“天才是99％的汗水，加上1％的灵感。” • 1892年，爱迪生创立通用电气公司。 • 爱迪生象征着美国由穷变富的理想，爱迪生的一生，是美国 从落后农业国向工业国过渡、从全盘照搬欧洲技术到建立美 国自己的技术体系的时代。
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时间 1747年 典型事件及意义 电荷守恒定律 代表人物 Benjamim Franktin (夫兰 克林 美国) Procopius Dirisch (狄维施)
1754年
避雷针
1785年
库仑定律—电磁学 进入科学行列
Charles Auguste de Coulom (库仑 法国)
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应
用：电气工程、电子信息、通信、自动 控制 化工、钢铁等领域
第三次技术革命（始于20世纪中叶）
基 础：电子技术、信息理论、系统理论、控制理论 主要标志：原子能利用、电子管、半导体、集成电路
应
用：电气工程、电子信息、通信、自动控制、 计算机技术、家用电器、医疗设备、化工 等领域。
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• 1879年10月，美国发明家爱迪生（Thomas Alva Edison， 1847~1931）发明了电灯。
•
1882年，爱迪生建成世界上第一座较正规的发电厂，装有6 台直流发电机，共900马力（1马力=0.735kW，），通过 110V电缆供电，最大送电距离1.6km，供6200盏白炽灯照 明用，完成了初步的电力工业技术体系。
• 1885年意大利科学家法拉里提出的旋转磁场原理，对交流电 机的发展有重要的意义。
• 美 国 发 明 家 、 工 业 家 威 斯 汀 豪 （ George Wistinghouse ， 1846~1914 ）生于纽约州的一个农业机械制造商家庭。在龙 宁学院学习后，参加南北战争的北军，在陆军和海军服役。 1865年发明旋转式蒸汽机而首次获专利。
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3.1.2 电工技术的初期发展
• 1831年，法拉第发现电磁感应原理，奠定了发电机的理论 基础。科学的发现，引起了技术的发明。 • 1866年，德国物理学家西门子发明了励磁电机，并预见：电 力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元。 西门子生于汉诺威的累尔特。 18岁入普鲁士炮兵服役，后进柏 林陆军大学学习，毕业后到兵厂 工作，斯28岁提升为柏林炮厂厂 长。31岁时和机械师哈尔克在柏 林郊区创设了西门子—哈尔斯克 电报机制造厂。
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1745年
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吉尔伯特和他的著作《论磁石》
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带有莱顿瓶的起电机
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• 1869 年设立威斯汀豪空气制动器公司（西屋空气制动器公 司），在匹兹堡建设工厂，生产铁路制动器和铁路信号装置， 其产品畅销欧美。
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• 威斯汀豪自 1870 年代就开始研究电机。 1885 年，他购置了法 国高拉德（ 1850 ～ 1888 ）和英国吉布斯于 1881 年的发明的 “供电交流系统”专利权。在他领导下，与研制变压器和配 电设备的斯坦利、发明多项交流发电机和感应电动机的特斯 拉、研制测量设备的沙伦伯格等，共同完成了交流发电、供 电系统，并在匹兹堡创建了交流配电网。 • 在完成这一巨大工程中，显示出他的重用优秀技术专家的领 导艺术和组织才能。于1886年成立威斯汀豪电气公司(西屋电 气公司) ；1889年，威斯汀豪电气公司更名为威斯汀豪电气和 制造公司。威斯汀豪一生获专利100多项。
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德国出生的美籍电气工程师施 泰因梅茨（C.P.Steinmetz, 1865— 1923）对交流电路理论的发展作出 巨大贡献。他出生即带有残疾，自 幼受人嘲侮，但他意志坚强，刻苦 学习，1882年入布雷斯劳大学就读。 正弦交流电路计算方法的一个重要进展，是 由施泰因梅茨于 1893 年提出的分析交流电路的符 号法（相量法）。他利用数学中的第莫威定理， 用复数的模和辐角来代表有正弦量的效值（或最 大值）和初相位。在相同频率下的三角函数运算， 就可以转化为复数的代数运算了。
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电气科学与工程的发展简史 库仑定律
库仑和他发明的扭力天平
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时间 1799年 典型事件及意义 发明电池 提供较长时间的电流 电流的磁效应（电产生 磁） 安培分子电流说 毕奥-萨伐尔定律 代表人物 Alessandro Graf Volta (伏特 意大利) Hans Chanstan Oersted (奥斯特) Andre Marie Ampere( 安 培) Jean-Baptute Biot,Felix Savart (毕奥，萨伐尔)
1896年
光速公式
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麦克斯韦方程
麦克斯韦与他所著的《电磁通论》
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电弧灯（左）与爱迪生发明的白炽灯
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• 美籍南斯拉夫电气工程师特斯拉（ Nikola Tesla， 1856~1943 ） 1883 年发明了世界上第一台感应电动机。 1888年发明的两相 异步特斯拉电动机和交流电力传输系统。 • 美国采用60赫兹作为工业用电的标准频率与他有很大关系。 • 特斯拉出生于奥匈帝国的一个牧师家庭，具有难以置信的记 忆力和对数学的理解能力。 • 于1884年移居美国，先是受雇于爱迪生；当时正值“电流争 论”时期，一方面发明家爱迪生坚持继续使用直流电；另一 方面，发明家威斯汀豪则主张改用交流电。由于特斯拉对交 流电感兴趣，便离开了爱迪生而加入了威斯汀豪的企业。
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时间 1826年 1831年 典型事件及意义 欧姆定律 电磁感应现象 （磁产生电） 代表人物 Georg Simon ohm(欧 姆) Michael Faraday (法拉第 英国)
1834年
楞次定律
楞次
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3.2.2 电网络理论的建立
• 20世纪初，由于通讯技术的兴起，促进了电网络理论的研 究。 1920 年，坎贝尔与瓦格纳研究了梯形结构的滤波电 路。1923年，坎贝尔还提出了滤波器的设计方法。 • 1924 年，福斯特提出了电感、电容二端网络的电抗定理。 此后便建立了由给定频率特性而设计电路的电网络综合理 论。 • 在 电 子管问 世 以后 ， 电 子电路 分 析的理 论 迅速发 展 。 1932 年瑞典科学家奈奎斯特提出了由反馈电路的开环传 递函数的频率特性，来判断闭环系统稳定性的判据。
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第2章 电气科学与工程的发展简史
这个过程大致可分为三个阶段。 第一阶段，从公元前大约7世纪至公元16世纪上半 叶，在长达两千余年的岁月里，人类对电、磁现 象的认识十分缓慢，一直停留在单纯地观察记录 的水平上。 第二阶段，自16世纪下半叶英国女王的侍医官吉 尔伯特开始，人们对电磁现象进行了探讨，并作 了一些定性的归纳和总结。这一阶段大约持续了 二百年。 第三阶段，从18世纪的卡文迪许、库仑开始，人 们对电磁现象的研究进入了用科学方法定量研究、 总结归纳从而得出规律的阶段。
3.1 电工技术的初期发展
3.1.1 人类近代的技术革命 第一次技术革命（始于18世纪下半叶） 基 础：牛顿力学 主要标志：蒸汽机 应 用：机器制造、采矿、铁路、冶金、纺织 第二次技术革命（始于19世纪下半叶） 基 础：电磁学原理、电路原理、化工原理、力学等
主要标志：电力、钢铁、化工；汽车、飞机、通讯
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皮 克 斯 发 明 的 直 流 发 电 机
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雅可比发明的世界上第一台电动机模型（左） 与实用电动机（右，复制品）
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时间 公元前七 世纪 公元前二 世纪 典型事件及意义 发现磁石 静电吸引 代表人物 管子(中国) thale(泰勒斯 希腊) 西汉初年
1600年
《论磁石》论述磁并导 William Gilbert(吉尔伯特) 入“电”electric 莱顿瓶电容器的原形， Pieter van musschenbrock 存贮电 (穆欣布罗克 荷兰莱顿) Ewald Georg Von Kleit (克莱斯特 德国)
欧姆定律
欧姆与他的实验装置
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法拉第电磁感应定律
法拉第与最早的发电机——法拉第盘
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时间
1832年
典型事件及意义
代表人物
1820年
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伏特与伏打电池
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电气科学与工程的发展简史 安培定律
安培与他的实验装置
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