電工學(xué)（物理學(xué)學(xué)科）

概要

電工學(xué)（electrotechnics）是研究電磁現(xiàn)象在工程中應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。工科高等院校為各類非電專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。又稱電工技術(shù)。它包括電磁能量和信息在產(chǎn)生、傳輸、控制、應(yīng)用這一全過程中所涉及到的各種手段和活動(dòng)。作為一門技術(shù)基礎(chǔ)課，它的內(nèi)容包括：電路和磁路理論、電磁測(cè)量、電機(jī)與繼電接觸控制，安全用電、模擬電子電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

電工的學(xué)習(xí)要講求理論與實(shí)踐的結(jié)合，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要認(rèn)真思考，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．并且能時(shí)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題提出解決的方案，從而鍛煉自己的科學(xué)素養(yǎng)。

歷史

19世紀(jì)被稱為“科學(xué)的世紀(jì)”，電工學(xué)的誕生為它增添了異彩。1800年A.G.A.A.伏打發(fā)明了伏打電堆，使人類首次獲得持續(xù)穩(wěn)定的電源，促進(jìn)了電學(xué)的研究轉(zhuǎn)向電流，并且開始了電化學(xué)、電弧放電及照明、電磁鐵等電能應(yīng)用的研究。19世紀(jì)中期電報(bào)的發(fā)明，促進(jìn)了近代大型技術(shù)工程的誕生。1866年在歷盡重重挫折之后終于建成了長(zhǎng)達(dá)3700公里橫跨大西洋的海底電報(bào)電纜。電報(bào)的發(fā)明，推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)和公共事務(wù)的交流，促進(jìn)了電工基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了電工制造業(yè)以及近代管理企業(yè)，提出了新型技術(shù)人才培養(yǎng)的要求，是電工發(fā)展史中重要的一頁。

1831年M.法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，開始了電磁科學(xué)與技術(shù)的重大飛躍。這一定律的發(fā)現(xiàn)不僅使靜電、動(dòng)電（電流）、電流與磁場(chǎng)的相互感生等一系列電磁現(xiàn)象達(dá)到了更加全面的統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，而且奠定了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的原理基礎(chǔ)。1873年，J.C.麥克斯韋導(dǎo)出描述電磁場(chǎng)理論的基本方程──麥克斯韋方程組，成為整個(gè)電工領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。發(fā)電機(jī)的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式，沖破了化學(xué)電源功率小、成本高、難以聯(lián)網(wǎng)等限制，征服了自然界蘊(yùn)藏的神奇的動(dòng)力，預(yù)告了電氣化時(shí)代的來臨。

發(fā)電和用電是一個(gè)連續(xù)生產(chǎn)的整體。必須擴(kuò)大用電范圍才能使發(fā)電從社會(huì)需要獲得發(fā)展動(dòng)力。與發(fā)電機(jī)的發(fā)明過程同時(shí)，電照明、電鍍、電解、電冶煉、電動(dòng)力等工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)紛紛成熟，孕育了發(fā)電、變電、輸電、配電、用電聯(lián)為一體的電力系統(tǒng)的誕生。19世紀(jì)90年代三相交流輸電技術(shù)的發(fā)明成功，使電力工業(yè)以基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的地位跨入了現(xiàn)代化大工業(yè)的行列，迎來了20世紀(jì)電氣化的新時(shí)代。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展是基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用研究、技術(shù)開發(fā)緊密結(jié)合的過程。科學(xué)技術(shù)綜合化的發(fā)展趨向日益明顯，必須使個(gè)體研究轉(zhuǎn)向集體研究，正是電工的成長(zhǎng)，率先踏上這一必由之路。1876年，T.A.愛迪生創(chuàng)辦了世界上第一個(gè)工業(yè)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)被人們贊譽(yù)的“發(fā)明工廠”里，他組織一批專門人才分工負(fù)責(zé)，共同致力于同一項(xiàng)發(fā)明，打破了以往只是由科學(xué)家單獨(dú)從事研究發(fā)明的傳統(tǒng)。這一與近代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力發(fā)展水平相適應(yīng)的技術(shù)研究和開發(fā)的正確道路，顯示出巨大的活力，推動(dòng)了電力生產(chǎn)與電工制造業(yè)的迅猛發(fā)展，也開創(chuàng)了基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)開發(fā)三者緊密結(jié)合、協(xié)同發(fā)展的先河。

發(fā)展

汽車

學(xué)說

電磁是自然界物質(zhì)普遍存在的一種基本物理屬性。因此，研究電磁規(guī)律及其應(yīng)用的電工科學(xué)技術(shù)對(duì)物質(zhì)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，包括能源、信息、材料等現(xiàn)代社會(huì)的支柱都有著深刻的影響。電能作為一種二次能源，它便于與各種一次能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從多種途徑獲得來源（如水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能發(fā)電等）；同時(shí)又便于轉(zhuǎn)換為其他能量形式以滿足社會(huì)生產(chǎn)和生活的種種需要（如電動(dòng)力、電熱、電化學(xué)能、電光源等）。與其他能源相比，電能在生產(chǎn)、傳送、使用中更易于調(diào)控。這一系列優(yōu)點(diǎn)，使電能成為最理想的二次能源，格外受到人們關(guān)注。電能的開發(fā)及其廣泛應(yīng)用成為繼蒸汽機(jī)的發(fā)明之后，近代史上第二次技術(shù)革命的核心內(nèi)容。20世紀(jì)出現(xiàn)的大電力系統(tǒng)構(gòu)成工業(yè)社會(huì)傳輸能量的大動(dòng)脈，以電磁為載體的信息與控制系統(tǒng)則組成了現(xiàn)代社會(huì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。各種新興電工材料的開發(fā)、應(yīng)用豐富了現(xiàn)代材料科學(xué)的內(nèi)容，它們既得益于電工的發(fā)展，又為電工的技術(shù)進(jìn)步提供物質(zhì)條件。

電工學(xué)的基礎(chǔ)理論的成就極大地豐富了人類思維的寶庫(kù)。物質(zhì)世界統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)、近代物理學(xué)的誕生，以及系統(tǒng)控制論的發(fā)展等，都直接或間接地受到電工發(fā)展的影響。反過來，各相鄰學(xué)科的成就也不斷促進(jìn)電工向更高的層次發(fā)展。

理論

19世紀(jì)末在電工學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中形成了許多技術(shù)基礎(chǔ)理論分支。交流電路理論，磁路理論，電機(jī)與變壓器理論，電能傳輸理論，電工材料理論，電介質(zhì)理論，氣體放電理論等都發(fā)展成為系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)。20世紀(jì)50年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及工程控制論等一系列新興的科學(xué)技術(shù)理論蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和技術(shù)開發(fā)之間的知識(shí)結(jié)構(gòu)更加緊密，各門學(xué)科與專業(yè)之間互相滲透，互相交叉，使科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)形成一個(gè)既深入分化又高度綜合的龐大復(fù)雜的整體，同時(shí)也促進(jìn)了電工理論的發(fā)展。靜電場(chǎng)、電磁場(chǎng)等結(jié)構(gòu)復(fù)雜又包括多種媒質(zhì)的三維物理場(chǎng)求解方法的研究取得新進(jìn)展。矩量法、變分原理、函數(shù)空間等都引入了電工理論。基于等效模型的概念發(fā)展了虛擬的磁荷與磁流模型，研究了多種動(dòng)態(tài)位及不同的規(guī)范選擇，提出了有關(guān)廣義能量的定理等。由于系統(tǒng)與元件相結(jié)合而擴(kuò)大了元件的內(nèi)涵，包括了邏輯門、可控源、回轉(zhuǎn)器以及大規(guī)模集成塊等。各類工程系統(tǒng)的發(fā)展形成了共同的網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)，使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展成為研究某種特定空間結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一般性理論方法。廣義網(wǎng)絡(luò)理論又將“場(chǎng)”與“路”結(jié)合起來，出現(xiàn)新的邊緣理論領(lǐng)域，如物理場(chǎng)論的網(wǎng)絡(luò)模擬、輻射場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)方法、等離子體的網(wǎng)絡(luò)圖解等；引用系統(tǒng)論的研究成果，將系統(tǒng)的整體性能和行為與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)及局部物理量結(jié)合起來，進(jìn)一步豐富了網(wǎng)絡(luò)問題的內(nèi)容。系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，多維系統(tǒng)的研究，狀態(tài)空間的拓?fù)涞戎敌?，?dòng)態(tài)系統(tǒng)的反饋理論和漸近性問題，以及網(wǎng)絡(luò)故障的自動(dòng)偵察、診斷等，都成為引人注意的研究課題。在人類歷史發(fā)展的漫長(zhǎng)歲月里，技術(shù)革命是強(qiáng)大的推動(dòng)力。取火使人類擺脫了原始蒙昧；金屬工具幫助人類建立起農(nóng)業(yè)文明；動(dòng)力，特別是電能，擴(kuò)大了人類體力勞動(dòng)能力，出現(xiàn)了現(xiàn)代化的大工業(yè)生產(chǎn)。今天，以電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為特征的新技術(shù)又在延伸人類的智力功能。正是電磁規(guī)律在能源、信息、控制等領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用，描繪出現(xiàn)代化社會(huì)的藍(lán)圖，形成新技術(shù)革命的主流。它沖擊著社會(huì)生產(chǎn)和生活的每一個(gè)角落，不僅大幅度地提高了社會(huì)生產(chǎn)力，創(chuàng)造出豐富的物質(zhì)財(cái)富，而且改變著人們的生活方式、社會(huì)行為、教育訓(xùn)練、思維方法，促進(jìn)了社會(huì)的精神文明。電工正在與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相匯合，繼續(xù)發(fā)揮社會(huì)支柱的作用。

電氣化

能源是人類社會(huì)賴以生存的最基本的物質(zhì)條件之一。電能以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為人類開發(fā)自然能源的最重要方式，是人類征服自然過程中所取得的具有劃時(shí)代意義的光輝成就。自19世紀(jì)80年代開始應(yīng)用電能以來，幾乎所有社會(huì)生產(chǎn)的技術(shù)部門以及人民生活，都逐步轉(zhuǎn)移到這一嶄新的技術(shù)基礎(chǔ)上，極大地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，改變了人類的社會(huì)生活方式，使20世紀(jì)以“電世紀(jì)”載入史冊(cè)。

電照明是較早開發(fā)的電能應(yīng)用。它消除了黑夜對(duì)人類生活和生產(chǎn)勞動(dòng)的限制，大大延長(zhǎng)了人類用于創(chuàng)造財(cái)富的勞動(dòng)時(shí)間，并且改善了勞動(dòng)生產(chǎn)條件，豐富了人們的生活。這為電能的應(yīng)用奠定了最廣泛的社會(huì)基礎(chǔ)，成為推動(dòng)電能生產(chǎn)的強(qiáng)大動(dòng)力。電傳動(dòng)是范圍最廣、形式最多的電能應(yīng)用領(lǐng)域。電動(dòng)機(jī)是冶金、機(jī)械、化工、紡織、造紙、礦山、建工等一系列工業(yè)部門與交通運(yùn)輸以及醫(yī)療電器、家用電器的最重要的動(dòng)力源。各種類型的電動(dòng)機(jī)占去全部用電設(shè)備總功率的70%左右。電傳動(dòng)在效率、精度、操作、控制、節(jié)能、安全等許多方面都具有無可比擬的優(yōu)越性，并且在向著機(jī)電一體化以及工業(yè)機(jī)器人等新技術(shù)方向發(fā)展，從根本上改變了19世紀(jì)以蒸汽動(dòng)力為基礎(chǔ)的初級(jí)工業(yè)化的面貌。電能轉(zhuǎn)換為熱能是電能的另一重要用途。電加熱可以直接作用到物體內(nèi)部，且加熱均勻、熱效率高、容易控制。因此，電加熱在冶金工業(yè)及制造工業(yè)中成為重要的加工方式。電能在化工領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了電化學(xué)工業(yè)體系，包括電解工業(yè)、電熱化學(xué)工業(yè)，以及等離子體化學(xué)、放電化學(xué)、界面電化學(xué)、電池工業(yè)等，推動(dòng)了化工工業(yè)的發(fā)展。電物理裝置的研制成為電能應(yīng)用的新領(lǐng)域。各種能級(jí)和不同用途的加速器、大功率電脈沖裝置、大功率激光設(shè)備、受控核聚變裝置等所需要的電源技術(shù)、磁體技術(shù)、控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)等都促進(jìn)了電能的利用和電工的發(fā)展?？傊?，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電的應(yīng)用不僅影響到社會(huì)物質(zhì)生產(chǎn)的各個(gè)側(cè)面，也越來越廣地滲透到人類生活的各個(gè)層面（醫(yī)療電器的廣泛應(yīng)用和家用電器的普及只是人們熟知的兩個(gè)例證）。電氣化已在某種程度上成為現(xiàn)代化的同義語，電氣化程度已成為衡量社會(huì)物質(zhì)文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志。

世界各國(guó)都十分重視電能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用。近一個(gè)世紀(jì)的實(shí)踐表明，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的電力生產(chǎn)大約以年平均7%的速率增長(zhǎng)，超前于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度，避免了經(jīng)濟(jì)發(fā)展受電能短缺的限制。例如，1950～1980年30年間，美國(guó)實(shí)際國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值年平均增長(zhǎng)率為3.4%，而電能生產(chǎn)量年平均增長(zhǎng)率為6.26%，兩者之比即電力彈性系數(shù)為1.84；英國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)家的電力彈性系數(shù)也在1.28與1.97之間。1937年世界發(fā)電量為455.8億千瓦時(shí)，1950年9589億千瓦時(shí)，1980年約為82400億千瓦時(shí)，1988年已達(dá)到11萬億千瓦時(shí)。50年來增長(zhǎng)了240倍，大大超過其他經(jīng)濟(jì)部門的增長(zhǎng)速度。中國(guó)1949～1991年間，電力工業(yè)發(fā)展也極為迅速。年發(fā)電量1949年為43.1億千瓦時(shí)，居世界第25位，而1991年已增至6750億千瓦時(shí)，躍升為世界第4位。據(jù)數(shù)十個(gè)國(guó)家的統(tǒng)計(jì)，各國(guó)人均年產(chǎn)值的增長(zhǎng)與人均年耗電量的增長(zhǎng)呈線性關(guān)系。電能消費(fèi)的單位指標(biāo)如單位國(guó)民生產(chǎn)總值、單位國(guó)民收入和單位人口的電能消費(fèi)也都呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。例如，1920～1970年期間美國(guó)的人均用電量由540千瓦時(shí)增加到7950千瓦時(shí)，年增長(zhǎng)率約為5.56%；1989年達(dá)到13450 千瓦時(shí)。50年代以前發(fā)達(dá)國(guó)家的電能消耗量約占能源消耗總量的4%，1985年已占30%以上，預(yù)測(cè)2000年將達(dá)到40～50%。擴(kuò)大電能應(yīng)用是20世紀(jì)各國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的顯著特征。電能已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會(huì)須臾不可中斷的經(jīng)濟(jì)命脈。社會(huì)發(fā)展對(duì)電能的需求成為電工必將持續(xù)發(fā)展的巨大動(dòng)力。

新技術(shù)

電工制造業(yè)為電能的生產(chǎn)和消費(fèi)系統(tǒng)提供物質(zhì)裝備。隨著各國(guó)對(duì)電能需求的不斷增加，為滿足建設(shè)大型電站的需要，通過改進(jìn)發(fā)電機(jī)的冷卻技術(shù)，采用新型絕緣材料、鐵磁材料，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使發(fā)電機(jī)的單機(jī)功率增大、效率提高、成本降低。最大火力發(fā)電機(jī)組的功率1926年為160兆瓦，到60年代已成批生產(chǎn)500～600兆瓦火電機(jī)組，1973年第一臺(tái)1300兆瓦火電機(jī)組投入運(yùn)行。此后，由于受到材料性能以及大型機(jī)組在設(shè)計(jì)制造上的缺陷等因素的限制，投運(yùn)后事故較多，可用率降低，使大型火電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)減緩。80年代，大約有四分之三的火電設(shè)備單機(jī)功率穩(wěn)定在300～700兆瓦。水力發(fā)電機(jī)組的最大功率由1942年的108兆瓦提高到1961年的230兆瓦，1978年700兆瓦機(jī)組投入運(yùn)行。核電機(jī)組的功率由1954年5兆瓦（第一臺(tái)工業(yè)用試驗(yàn)性機(jī)組）提高到80年代的1300～1500兆瓦。

隨著大型電站以及跨地區(qū)、跨國(guó)際大電網(wǎng)的建設(shè)，要求提供超高壓、大容量的輸變電設(shè)備。繼1952年制造第一套380千伏交流輸變電成套設(shè)備后，1965年制成了735千伏交流輸變電成套設(shè)備。70年代以來，又先后制成1000～1500千伏交流輸變電設(shè)備。50年代最大變壓器容量為500兆伏安，1975年已達(dá)1800兆伏安。斷路器的制造經(jīng)歷了多油式、少油式、壓縮空氣式和六氟化硫（SF6）氣體絕緣等不同發(fā)展階段，近10多年又發(fā)展了SF6組合式電器，縮小了占地面積（750千伏級(jí)約為1/75）和空間，并提高了運(yùn)行可靠性。到80年代，高壓斷路器的額定開斷電流已達(dá)80～100千安，全開斷時(shí)間已從50年代的3周波縮短至2周波和1周波，為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件。

在用電設(shè)備中，約有70%左右的負(fù)荷為電動(dòng)機(jī)，大的如軋鋼電動(dòng)機(jī)（單機(jī)功率達(dá)12785千瓦）和高爐鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)（單機(jī)功率達(dá)36000千瓦），小的有千百種用途各異的微特電機(jī)。工廠中電動(dòng)機(jī)分散傳動(dòng)代替了過去的皮帶傳動(dòng)，改善了工廠的環(huán)境，提高了機(jī)床的效率和精度。電力機(jī)車同柴油機(jī)車一道代替了蒸汽機(jī)車。在家用電器中，出現(xiàn)了洗衣機(jī)、吸塵器、電風(fēng)扇、空調(diào)器、電灶、微波爐等，使家庭生活更省力、更舒適。為滿足冶金和機(jī)械工業(yè)的需要，各類電爐正向大容量、大功率、低能耗方向發(fā)展。1971年已有360噸電弧爐投產(chǎn)。進(jìn)入80年代又開發(fā)了800噸電弧爐。采用超大功率電弧爐一般可將熔煉時(shí)間縮短三分之二，電耗降低23%。電力電子技術(shù)的出現(xiàn)不僅使直流輸電技術(shù)得以穩(wěn)步發(fā)展，而且使交、直流傳動(dòng)技術(shù)和各種電源轉(zhuǎn)換技術(shù)都得到革新。它將微機(jī)控制與功率執(zhí)行緊密結(jié)合，統(tǒng)一完成邏輯、控制、監(jiān)視、保護(hù)、診斷等綜合功能，有力地推動(dòng)著機(jī)電一體化的技術(shù)潮流。80年代，在電動(dòng)機(jī)上采用功率因數(shù)控制器后，一般單相電動(dòng)機(jī)可節(jié)能20～50%，三相電動(dòng)機(jī)可節(jié)能5～10%。通過設(shè)備性能改進(jìn)，產(chǎn)品容量增大，電壓等級(jí)提高，電網(wǎng)互聯(lián)運(yùn)行等，使發(fā)電設(shè)備容量的利用率得到合理地提高，輸配電設(shè)備每千伏安的造價(jià)大幅度降低。發(fā)達(dá)國(guó)家電力系統(tǒng)的損耗，從30年代約占電能生產(chǎn)總量的18%減少至80年代的7%，預(yù)計(jì)還將會(huì)進(jìn)一步降低。在此期間，電價(jià)降低了約65%。