電工學（物理學學科）

概要

電工學（electrotechnics）是研究電磁現(xiàn)象在工程中應(yīng)用的技術(shù)科學。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。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、電磁測量、電機與繼電接觸控制，安全用電、模擬電子電路、數(shù)字電路、自動控制系統(tǒng)等。

電工的學習要講求理論與實踐的結(jié)合，在做實驗時一定要認真思考，仔細觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)．并且能時時對實驗中出現(xiàn)的問題提出解決的方案，從而鍛煉自己的科學素養(yǎng)。

歷史

19世紀被稱為“科學的世紀”，電工學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，促進了電學的研究轉(zhuǎn)向電流，并且開始了電化學、電弧放電及照明、電磁鐵等電能應(yīng)用的研究。19世紀中期電報的發(fā)明，促進了近代大型技術(shù)工程的誕生。1866年在歷盡重重挫折之后終于建成了長達3700公里橫跨大西洋的海底電報電纜。電報的發(fā)明，推動了社會經(jīng)濟和公共事務(wù)的交流，促進了電工基礎(chǔ)理論與實驗技術(shù)的發(fā)展，帶動了電工制造業(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，開始了電磁科學與技術(shù)的重大飛躍。這一定律的發(fā)現(xiàn)不僅使靜電、動電（電流）、電流與磁場的相互感生等一系列電磁現(xiàn)象達到了更加全面的統(tǒng)一的認識，而且奠定了機電能量轉(zhuǎn)換的原理基礎(chǔ)。1873年，J.C.麥克斯韋導(dǎo)出描述電磁場理論的基本方程──麥克斯韋方程組，成為整個電工領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。發(fā)電機的發(fā)明實現(xiàn)了機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式，沖破了化學電源功率小、成本高、難以聯(lián)網(wǎng)等限制，征服了自然界蘊藏的神奇的動力，預(yù)告了電氣化時代的來臨。

發(fā)電和用電是一個連續(xù)生產(chǎn)的整體。必須擴大用電范圍才能使發(fā)電從社會需要獲得發(fā)展動力。與發(fā)電機的發(fā)明過程同時，電照明、電鍍、電解、電冶煉、電動力等工業(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世紀電氣化的新時代。

現(xiàn)代科學技術(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。科學技術(shù)綜合化的發(fā)展趨向日益明顯，必須使個體研究轉(zhuǎn)向集體研究，正是電工的成長，率先踏上這一必由之路。1876年，T.A.愛迪生創(chuàng)辦了世界上第一個工業(yè)應(yīng)用研究實驗室。在這個被人們贊譽的“發(fā)明工廠”里，他組織一批專門人才分工負責，共同致力于同一項發(fā)明，打破了以往只是由科學家單獨從事研究發(fā)明的傳統(tǒng)。這一與近代科學技術(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、應(yīng)用科學、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)用的電工科學技術(shù)對物質(zhì)生產(chǎn)和社會生活的各個方面，包括能源、信息、材料等現(xiàn)代社會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）；同時又便于轉(zhuǎn)換為其他能量形式以滿足社會生產(chǎn)和生活的種種需要（如電動力、電熱、電化學能、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，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世紀出現(xiàn)的大電力系統(tǒng)構(gòu)成工業(yè)社會傳輸能量的大動脈，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)進步提供物質(zhì)條件。

電工學的基礎(chǔ)理論的成就極大地豐富了人類思維的寶庫。物質(zhì)世界統(tǒng)一性的認識、近代物理學的誕生，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，各相鄰學科的成就也不斷促進電工向更高的層次發(fā)展。

理論

19世紀末在電工學發(fā)展的進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)的科學知識。20世紀50年代以來，計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及工程控制論等一系列新興的科學技術(shù)理論蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)科學、應(yīng)用科學和技術(shù)開發(fā)之間的知識結(jié)構(gòu)更加緊密，各門學科與專業(yè)之間互相滲透，互相交叉，使科學技術(shù)和社會生產(chǎn)形成一個既深入分化又高度綜合的龐大復(fù)雜的整體，同時也促進了電工理論的發(fā)展。靜電場、電磁場等結(jié)構(gòu)復(fù)雜又包括多種媒質(zhì)的三維物理場求解方法的研究取得新進展。矩量法、變分原理、函數(shù)空間等都引入了電工理論?；诘刃Ｐ偷母拍畎l(fā)展了虛擬的磁荷與磁流模型，研究了多種動態(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)擴展成為研究某種特定空間結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)的一般性理論方法。廣義網(wǎng)絡(luò)理論又將“場”與“路”結(jié)合起來，出現(xiàn)新的邊緣理論領(lǐng)域，如物理場論的網(wǎng)絡(luò)模擬、輻射場的網(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)空間的拓撲等值性，動態(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)展的漫長歲月里，技術(shù)革命是強大的推動力。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；動力，特別是電能，擴大了人類體力勞動能力，出現(xiàn)了現(xiàn)代化的大工業(yè)生產(chǎn)。今天，以電子和計算機技術(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)代化社會的藍圖，形成新技術(shù)革命的主流。它沖擊著社會生產(chǎn)和生活的每一個角落，不僅大幅度地提高了社會生產(chǎn)力，創(chuàng)造出豐富的物質(zhì)財富，而且改變著人們的生活方式、社會行為、教育訓(xùn)練、思維方法，促進了社會的精神文明。電工正在與現(xiàn)代科學技術(shù)相匯合，繼續(xù)發(fā)揮社會支柱的作用。

電氣化

能源是人類社會賴以生存的最基本的物質(zhì)條件之一。電能以其獨特的優(yōu)點成為人類開發(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代意義的光輝成就。自19世紀80年代開始應(yīng)用電能以來，幾乎所有社會生產(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，極大地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，改變了人類的社會生活方式，使20世紀以“電世紀”載入史冊。

電照明是較早開發(fā)的電能應(yīng)用。它消除了黑夜對人類生活和生產(chǎn)勞動的限制，大大延長了人類用于創(chuàng)造財富的勞動時間，并且改善了勞動生產(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基礎(chǔ)，成為推動電能生產(chǎn)的強大動力。電傳動是范圍最廣、形式最多的電能應(yīng)用領(lǐng)域。電動機是冶金、機械、化工、紡織、造紙、礦山、建工等一系列工業(yè)部門與交通運輸以及醫(yī)療電器、家用電器的最重要的動力源。各種類型的電動機占去全部用電設(shè)備總功率的70%左右。電傳動在效率、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，并且在向著機電一體化以及工業(yè)機器人等新技術(shù)方向發(fā)展，從根本上改變了19世紀以蒸汽動力為基礎(chǔ)的初級工業(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)用開辟了電化學工業(yè)體系，包括電解工業(yè)、電熱化學工業(yè)，以及等離子體化學、放電化學、界面電化學、電池工業(yè)等，推動了化工工業(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)測技術(shù)等都促進了電能的利用和電工的發(fā)展。總之，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電的應(yīng)用不僅影響到社會物質(zhì)生產(chǎn)的各個側(cè)面，也越來越廣地滲透到人類生活的各個層面（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物質(zhì)文明發(fā)展水平的重要標志。

世界各國都十分重視電能在國民經(jīng)濟中的地位和作用。近一個世紀的實踐表明，許多工業(yè)發(fā)達國家的電力生產(chǎn)大約以年平均7%的速率增長，超前于國民經(jīng)濟的發(fā)展速度，避免了經(jīng)濟發(fā)展受電能短缺的限制。例如，1950～1980年30年間，美國實際國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值年平均增長率為3.4%，而電能生產(chǎn)量年平均增長率為6.26%，兩者之比即電力彈性系數(shù)為1.84；英國、法國、蘇聯(lián)等國家的電力彈性系數(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，1950年9589億千瓦時，1980年約為82400億千瓦時，1988年已達到11萬億千瓦時。50年來增長了240倍，大大超過其他經(jīng)濟部門的增長速度。中國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，居世界第25位，而1991年已增至6750億千瓦時，躍升為世界第4位。據(jù)數(shù)十個國家的統(tǒng)計，各國人均年產(chǎn)值的增長與人均年耗電量的增長呈線性關(guān)系。電能消費的單位指標如單位國民生產(chǎn)總值、單位國民收入和單位人口的電能消費也都呈增長的趨勢。例如，1920～1970年期間美國的人均用電量由540千瓦時增加到7950千瓦時，年增長率約為5.56%；1989年達到13450 千瓦時。50年代以前發(fā)達國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2000年將達到40～50%。擴大電能應(yīng)用是20世紀各國國民經(jīng)濟發(fā)展的顯著特征。電能已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會須臾不可中斷的經(jīng)濟命脈。社會發(fā)展對電能的需求成為電工必將持續(xù)發(fā)展的巨大動力。

新技術(shù)

電工制造業(yè)為電能的生產(chǎn)和消費系統(tǒng)提供物質(zhì)裝備。隨著各國對電能需求的不斷增加，為滿足建設(shè)大型電站的需要，通過改進發(fā)電機的冷卻技術(shù)，采用新型絕緣材料、鐵磁材料，改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，使發(fā)電機的單機功率增大、效率提高、成本降低。最大火力發(fā)電機組的功率1926年為160兆瓦，到60年代已成批生產(chǎn)500～600兆瓦火電機組，1973年第一臺1300兆瓦火電機組投入運行。此后，由于受到材料性能以及大型機組在設(shè)計制造上的缺陷等因素的限制，投運后事故較多，可用率降低，使大型火電機組的發(fā)展趨勢減緩。80年代，大約有四分之三的火電設(shè)備單機功率穩(wěn)定在300～700兆瓦。水力發(fā)電機組的最大功率由1942年的108兆瓦提高到1961年的230兆瓦，1978年700兆瓦機組投入運行。核電機組的功率由1954年5兆瓦（第一臺工業(yè)用試驗性機組）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（750千伏級約為1/75）和空間，并提高了運行可靠性。到80年代，高壓斷路器的額定開斷電流已達80～100千安，全開斷時間已從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%左右的負荷為電動機，大的如軋鋼電動機（單機功率達12785千瓦）和高爐鼓風電動機（單機功率達36000千瓦），小的有千百種用途各異的微特電機。工廠中電動機分散傳動代替了過去的皮帶傳動，改善了工廠的環(huán)境，提高了機床的效率和精度。電力機車同柴油機車一道代替了蒸汽機車。在家用電器中，出現(xiàn)了洗衣機、吸塵器、電風扇、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、直流傳動技術(shù)和各種電源轉(zhuǎn)換技術(shù)都得到革新。它將微機控制與功率執(zhí)行緊密結(jié)合，統(tǒng)一完成邏輯、控制、監(jiān)視、保護、診斷等綜合功能，有力地推動著機電一體化的技術(shù)潮流。80年代，在電動機上采用功率因數(shù)控制器后，一般單相電動機可節(jié)能20～50%，三相電動機可節(jié)能5～10%。通過設(shè)備性能改進，產(chǎn)品容量增大，電壓等級提高，電網(wǎng)互聯(lián)運行等，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)備每千伏安的造價大幅度降低。發(fā)達國家電力系統(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)計還將會進一步降低。在此期間，電價降低了約65%。