(14.6)--电磁进步踪迹.pdf

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1、电磁进步踪迹 1 电磁电磁进步进步踪迹踪迹（一）（一）电磁是神奇的，虽不能用肉眼视之，但却无处不在。在一些人看来，电磁的奥秘已经电磁是神奇的，虽不能用肉眼视之，但却无处不在。在一些人看来，电磁的奥秘已经被揭穿，但并不是所有人都能看透这些奥秘被揭穿，但并不是所有人都能看透这些奥秘，尤其是对刚刚升入大学的学生们，在你们面尤其是对刚刚升入大学的学生们，在你们面前还有许多电磁奥秘尚不知晓，因此需要努力探索。前还有许多电磁奥秘尚不知晓，因此需要努力探索。探索电磁奥秘探索电磁奥秘首先首先要带着强烈的好奇心要带着强烈的好奇心并并敏锐观察敏锐观察，就像对就像对电磁的最初发现电磁的最初发现那样那样。起。起初初人

2、类从自然界的电闪雷鸣和天然磁石中开始注意到电磁现象，人类从自然界的电闪雷鸣和天然磁石中开始注意到电磁现象，完全是完全是无意识发现和无意识发现和好奇好奇观察，并不是生存所驱使，观察，并不是生存所驱使，因为因为当时当时人类并不知道电磁到底能做什么人类并不知道电磁到底能做什么，人们把雷电解释成人们把雷电解释成雷神在敲打锤子。雷神在敲打锤子。希腊学者泰勒斯（希腊学者泰勒斯（Thales of Miletus,约公元前约公元前 624 年公元前年公元前 546 年）年）记录了记录了毛胚毛胚与琥珀相互摩擦后能够吸引轻小物体的与琥珀相互摩擦后能够吸引轻小物体的摩擦生电摩擦生电现象。现象。我国关于磁石的最早记

3、我国关于磁石的最早记载载（也是世界最早也是世界最早记载记载）见于春秋时期管仲学派的管子见于春秋时期管仲学派的管子地数篇地数篇：“上有慈石者，其下：“上有慈石者，其下有铜金”有铜金”，时值公元前时值公元前 650 年左右。此后战国时期吕不韦领编的 吕氏春秋年左右。此后战国时期吕不韦领编的 吕氏春秋季秋纪季秋纪精通篇精通篇（公元前公元前 249 年年）载有载有“慈慈石召铁石召铁，或引之也或引之也”。人们还发现磁石具有指示方向的作用人们还发现磁石具有指示方向的作用，春春秋战国时期的秋战国时期的韩非子韩非子和和东汉王充东汉王充（27107）所所著著论衡论衡是应篇是应篇中提到的中提到的“司南司南”就就是

4、是用用来指示方向的仪器来指示方向的仪器：“司南之：“司南之杓杓，投之于地投之于地，其柢指南其柢指南”。我国发明我国发明的的指南针指南针则是则是由由北北宋年间宋年间的的指南鱼指南鱼改进改进而来而来。沈括沈括（10311095）所所著梦溪笔谈著梦溪笔谈杂志一杂志一（成书于成书于 10861093）中记载了指南针的使用方法中记载了指南针的使用方法：“方家以慈石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不：“方家以慈石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也全南也，.”。论衡论衡乱龙乱龙中还有中还有“顿牟顿牟掇掇芥芥，慈慈石引针石引针，皆以其真是皆以其真是，不假他类不假他类”的的记载记载，最早把静电现象和磁现象相并

5、列，最早把静电现象和磁现象相并列。以上以上这些这些都是对都是对电磁电磁现象的偶然发现现象的偶然发现和简单和简单记载记载与与应用应用。由于认识所限由于认识所限，只好用只好用“气气”来解释这些现象来解释这些现象。经过经过岁月岁月的发展的发展，起初的起初的偶然发现偶然发现和和好奇好奇观察观察，就像牛顿力学一样，就像牛顿力学一样，终于终于引起引起了了新的技术革命，新的技术革命，彻底彻底改变改变了了人类的生存方式人类的生存方式。所以好奇心所以好奇心极为重要。极为重要。无意识的好奇性观察有了一定频次无意识的好奇性观察有了一定频次之后，就之后，就会会变成主动探索变成主动探索和定性研究和定性研究。16 世纪下

6、半世纪下半叶叶，英国女王的英国女王的御医御医吉尔伯吉尔伯特特（William Gilbert，15401603）研究了地磁研究了地磁，又通过实验又通过实验使使人们有了人们有了“带电体带电体”和和“非带电体非带电体”的概念的概念。1729 年年，英国发明家英国发明家格雷格雷(S.Gray，16701736)在研究电究竟能传多远时，在研究电究竟能传多远时，将所有材料分成将所有材料分成了了两大类：导体和绝缘体。导体的发现意义重两大类：导体和绝缘体。导体的发现意义重大，没有导体就难以给电流规定路径，也就难以大，没有导体就难以给电流规定路径，也就难以诞生诞生如今的如今的电气工程和电子工程电气工程和电子工

7、程；1733年年，法国人杜菲法国人杜菲(C.F.Dufay，16981739)发现两种电性的物质，并发现两种电性的物质，并总结出总结出同性相斥、异同性相斥、异性相吸性相吸的规律的规律；1745 年年，荷兰莱顿大学设计了荷兰莱顿大学设计了能够储存电的容器能够储存电的容器莱顿瓶莱顿瓶，促进了静电促进了静电电磁进步踪迹 2 研究研究；18 世纪中期，世纪中期，美国科学家美国科学家富兰克林富兰克林（Benjamin Franklin，17061790）发现电荷发现电荷有两种：正电和负电，并有两种：正电和负电，并于于 1747 年年通过实验通过实验发现发现了电荷守恒原理；了电荷守恒原理；1752 年年

8、7 月，他做了月，他做了著名的著名的风筝实验风筝实验，把风筝系在莱顿瓶上把风筝系在莱顿瓶上，在莱顿瓶上搜集到了在莱顿瓶上搜集到了“天电天电”，并并统一统一了了“天电天电”和和“地电地电”。意大利物理学家意大利物理学家伏打伏打（Alessandro Volta，17471827）精心研究了精心研究了意大利医生意大利医生伽伽伐尼伐尼（Luigi Galvani，17371798）对青蛙对青蛙“触触电电”的发现的发现，即用两个不同的金属与青蛙腿即用两个不同的金属与青蛙腿接触并构成闭合回路，那条腿就会抽搐起来。接触并构成闭合回路，那条腿就会抽搐起来。此发现后来成为接触电动势学说的依据。此发现后来成为接

9、触电动势学说的依据。受受此启发此启发，伏打伏打于于 1799 年发明了世界上第一个年发明了世界上第一个电池电池伏打电池伏打电池，这虽与接触电有关这虽与接触电有关，但但与动物与动物（青蛙青蛙）并无联系并无联系。动物的肌肉并不会产生电流，相反是肌肉神经在电流的刺激下动物的肌肉并不会产生电流，相反是肌肉神经在电流的刺激下发生发生了了抽搐抽搐。用导体将伏打电池的两极接通，就会有电流产生，这就是人类历史上的第一用导体将伏打电池的两极接通，就会有电流产生，这就是人类历史上的第一个电路。个电路。伏打伏打电池电池的发明的发明使人们从对静电的研究迈入了对动电的研究使人们从对静电的研究迈入了对动电的研究阶段阶段。

10、（二二）定性研究有了足够积累之后，便需要定量研究，以便寻找一般规律定性研究有了足够积累之后，便需要定量研究，以便寻找一般规律。1785 年年法国物理法国物理学家库仑学家库仑（Charles Augestin de Coulomb，17361806）以高超的实验技巧测量出了静电以高超的实验技巧测量出了静电力，并在牛顿万有引力定律力，并在牛顿万有引力定律rrmmGF321=的启发下，总结出了电荷的作用力公式的启发下，总结出了电荷的作用力公式，即库仑定即库仑定律律rrqqF321041=，这这是人们开始从定性是人们开始从定性研究研究到定量研究的到定量研究的重要重要转折转折。库仑定律库仑定律酷似万有酷

11、似万有引引力定律，力定律，说明说明从其它科学中获得启发的重要性从其它科学中获得启发的重要性。1820 年年丹麦科学家丹麦科学家奥斯特奥斯特（Hans Christian Oersted，17771851）在一次讲座安排的实验在一次讲座安排的实验中中，发现了电流的磁效应，发现了电流的磁效应。同年，同年，法国物法国物理学家安培理学家安培（Andre-Marie Ampere，17751836）在奥斯特在奥斯特的的基础上，发现了两个载流导基础上，发现了两个载流导体相互作用力的规律体相互作用力的规律，通过通过精心精心实验，并运用高实验，并运用高超超的数学技巧，总结出了电流元之间的作的数学技巧，总结出了

12、电流元之间的作用力定律用力定律，从而奠定了电动力学基础从而奠定了电动力学基础。安培曾评价奥斯特说安培曾评价奥斯特说：“奥斯特先生已经永远把他奥斯特先生已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了的名字和一个新纪元联系在一起了。”奥斯特和安培奥斯特和安培共同揭开了电磁研究的崭新一页共同揭开了电磁研究的崭新一页，即即电电能够产生能够产生磁。磁。实验天才实验天才、英国、英国化学家和化学家和物理学家物理学家法拉第法拉第（Michael Faraday，17911867）坚信自然坚信自然力是统一的，力是统一的，既然电能生磁，那么磁也能生电。既然电能生磁，那么磁也能生电。在他对电磁研究的兴趣被释放以后，在他

13、对电磁研究的兴趣被释放以后，于于 1831年年终于发现了磁生电现象终于发现了磁生电现象，并向英国皇家学会报告了能产生感应电流的五种情况。，并向英国皇家学会报告了能产生感应电流的五种情况。感应电感应电动势与磁通变化率成正比动势与磁通变化率成正比，这一重大发现这一重大发现是是研究对象从研究对象从“静止静止”到到“运动运动”的重要飞跃的重要飞跃，它它使使机械能转变为电能成为可能，机械能转变为电能成为可能，并由此并由此奠定了后来的电力工业基础。奠定了后来的电力工业基础。法拉第起初通过电磁感法拉第起初通过电磁感应产生的微弱电动势和电流，就像新生婴儿一样，应产生的微弱电动势和电流，就像新生婴儿一样，渐渐成

14、长为促进人类发展的有用之渐渐成长为促进人类发展的有用之才才。电磁进步踪迹 3 今天的绝大多数今天的绝大多数发电机、电动机和变压器发电机、电动机和变压器仍然仍然是利用电磁感应原理工作的。是利用电磁感应原理工作的。法拉第法拉第的另一的另一重大贡献是重大贡献是提出提出了了“场场”的概念的概念，这一概念这一概念为麦克斯韦用来建立统一的电磁理论奠定了关键为麦克斯韦用来建立统一的电磁理论奠定了关键基础，并导致新的物理学研究领域的诞生。基础，并导致新的物理学研究领域的诞生。爱因斯坦爱因斯坦（Albert Einstein，18791955）曾曾高度高度评价评价法拉第法拉第：“对于我们对于我们，迈克尔迈克尔法

15、拉第的一些概念法拉第的一些概念，可以说是可以说是同同我们母亲的奶一道我们母亲的奶一道吸来的吸来的，他他的伟大和大胆难以估量的伟大和大胆难以估量。”法拉第和他的先辈法拉第和他的先辈们们一样一样，研究电磁是为了认识自研究电磁是为了认识自然，目标是知识、真理。他相信英国哲学家培根然，目标是知识、真理。他相信英国哲学家培根（Francis Bacon，1561-1626）的名言，“知的名言，“知识就是力量识就是力量！”奥斯特、安培和法拉第的研究奥斯特、安培和法拉第的研究成果成果，奠定奠定了了当今许多电工设备赖以工作的当今许多电工设备赖以工作的理论理论基础基础。美国物理学家，约瑟夫美国物理学家，约瑟夫亨

16、利亨利（Joseph Henry，1797-1878），意外地发现，通有电流，意外地发现，通有电流的线圈在断路的时候有电火花产生。的线圈在断路的时候有电火花产生。1832 年年他发表了他发表了题为题为在长螺旋线中的电自感的论在长螺旋线中的电自感的论文，宣布发现了电的自感现象。文，宣布发现了电的自感现象。经经反复试验，反复试验，他他搞清楚了产生这种现象的规律，于搞清楚了产生这种现象的规律，于 1835年又发表了解释自感现象的论文。年又发表了解释自感现象的论文。1840 年，英国物理学家焦耳（年，英国物理学家焦耳（James Prescott Joule，18181889），把环形线圈放入），把环

17、形线圈放入装水的试管内，测量不同电流和电阻时的水温装水的试管内，测量不同电流和电阻时的水温，以研究，以研究电流生电流生热的规律热的规律。12 月他在英国皇月他在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流通过导体产生热量的家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流通过导体产生热量的定律定律。之后之后不久，不久，俄俄国国物理学家楞次物理学家楞次（Lenz，18041865）也独立也独立地地发现了同样的定律，该定律发现了同样的定律，该定律因此因此被被称为焦称为焦耳耳楞次定律。楞次定律。在在电生磁、电生磁、磁生电磁生电和电生热和电生热的研究的研究期间，期间，1826 德国电学家欧姆德国电学家欧姆

18、（Georg Simon Ohm，17891854）受傅里叶受傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier，17681830）研究热传导得出的研究热传导得出的热流量与温度差成热流量与温度差成正比的结论正比的结论启示启示，从实验和理论上证明了，从实验和理论上证明了导体上导体上电压与电流的正比规律电压与电流的正比规律，再次再次说明说明借鉴借鉴其它科学其它科学成果成果的重要性的重要性。德国物理学家德国物理学家基尔霍夫基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，18241887）在深入研究欧姆的成果之后，在深入研究欧姆的成果之后，于于 1845 年年在大学阶段，在大学

19、阶段，就提出了就提出了电路中电流电路中电流和电压所遵循和电压所遵循的两条基本定律的两条基本定律，即本课程要反复使用的基尔霍夫定律。，即本课程要反复使用的基尔霍夫定律。1847 年，年，他他又又研究研究了导体电压电流的线性分布问题的解，了导体电压电流的线性分布问题的解，证明了用这两条定律列出的独立方程的个数正好等证明了用这两条定律列出的独立方程的个数正好等于于支路电流支路电流个数，个数，并给出了计算电流的公式，并给出了计算电流的公式，从而从而奠定了系统分析奠定了系统分析电路问题的电路问题的方法基础。方法基础。（三三）分散分散的的专门专门规律规律性研究有了足够的积累之后，就性研究有了足够的积累之后

20、，就需要需要提升理论提升理论高度高度。英国物理学家英国物理学家麦麦克斯韦克斯韦（James Clerk Maxwell，18311879）依据库仑、依据库仑、奥斯特、奥斯特、安培、欧姆、法拉第安培、欧姆、法拉第、基尔霍夫基尔霍夫等前人的发现和实验成果等前人的发现和实验成果，并并接受接受“场场”的概念的概念。他以惊人的数学才能他以惊人的数学才能，对电磁场对电磁场电磁进步踪迹 4 的各种现象进行了严密的数学表述，的各种现象进行了严密的数学表述，并并创造性创造性地地提出提出了了电场变化产生电场变化产生位移电流的假设位移电流的假设，以，以满足任何矢量旋度的散度都等于零的数学原理满足任何矢量旋度的散度都

21、等于零的数学原理（见附录（见附录 B）。根据麦克斯韦的理论，不仅根据麦克斯韦的理论，不仅传导电流传导电流能够产生能够产生磁场，磁场，位移电流也按着同样的规律毕奥萨伐尔定律形成磁场。因此位移电流也按着同样的规律毕奥萨伐尔定律形成磁场。因此在在安培安培环路环路定律中，如果把电流理解成全电流，便可适用于时变电磁场。麦克斯韦这一假定律中，如果把电流理解成全电流，便可适用于时变电磁场。麦克斯韦这一假设的成立设的成立被被后来赫兹的实验所证实。后来赫兹的实验所证实。麦克斯韦麦克斯韦潜心潜心研究研究十余年，十余年，并借鉴并借鉴当时当时流体力学研究成果流体力学研究成果，于于 1873 完成完成了划时代了划时代科

22、科学学巨著巨著：电学和磁学专论电学和磁学专论（A TREATISE ON ELECTRICITY AND MAGNETISM），由此由此建立了完整的电磁理论体系建立了完整的电磁理论体系。不仅。不仅预言预言了电磁波的存在，而且还揭示了电、磁了电磁波的存在，而且还揭示了电、磁、光、光现现象象在在本质本质上上的统一性，完成了物理学的的统一性，完成了物理学的又又一次一次伟大伟大综合综合，奠定奠定了了现代电气技术、电子技术现代电气技术、电子技术和通和通讯讯技术的基础。技术的基础。被简化成被简化成 4 个个方程的麦克斯韦方程组方程的麦克斯韦方程组和谐对称，和谐对称，充分充分彰显了电磁规律彰显了电磁规律的对

23、称美的对称美。在牛顿力学早已受到相对论挑战的今天，这在牛顿力学早已受到相对论挑战的今天，这 4 个方程依然毫不动摇。个方程依然毫不动摇。爱因斯坦爱因斯坦高度赞美麦克斯韦的研究高度赞美麦克斯韦的研究：“在我求学的时代在我求学的时代，最着迷的课题是麦克斯韦理论最着迷的课题是麦克斯韦理论”，“特殊的特殊的相对论起源于麦克斯韦的电磁场方程相对论起源于麦克斯韦的电磁场方程”。麦克斯韦的工作麦克斯韦的工作“是自牛顿以来是自牛顿以来，物理学最深刻和物理学最深刻和最富有成果的工作最富有成果的工作”。法拉第由于法拉第由于没有上过大学没有上过大学，数学基本功比不上麦克斯韦数学基本功比不上麦克斯韦，因因而没有而没有

24、完成统一电、磁、光的愿望。完成统一电、磁、光的愿望。所以学好数学极为重要所以学好数学极为重要，哪怕哪怕暂时还不知道所学的暂时还不知道所学的内容内容在将在将来会有什么用途。来会有什么用途。德国物理学家赫兹（德国物理学家赫兹（H.R.Hertz,1857-1894）,在在 18861888 年间，年间，通过实验确认了电通过实验确认了电磁波是横波，具有与光类似的特性，从而全面验证了麦克斯韦电磁理论的正确性。并且进磁波是横波，具有与光类似的特性，从而全面验证了麦克斯韦电磁理论的正确性。并且进一步完善了一步完善了麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组，使它更加优美、对称。，使它更加优美、对称。1888 年年 1

25、月，赫兹将这些成果总结在月，赫兹将这些成果总结在论动电效应的传播速度一文中。论动电效应的传播速度一文中。赫兹的发现，其重要意义是开创了无线通讯新纪元。赫兹的发现，其重要意义是开创了无线通讯新纪元。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得了完美的结果了完美的结果。（四四）在电磁奥秘逐渐被揭穿的同时，人们自然就要主动探索电磁为人类所用的技术。在电磁奥秘逐渐被揭穿的同时，人们自然就要主动探索电磁为人类所用的技术。1838年，年，美国艺术家兼发明家美国艺术家兼发明家莫尔斯（莫尔斯（S.F.Morse，17911872），在亨利的帮助下，在亨利的帮

26、助下掌握掌握了初步了初步的电磁学基础，的电磁学基础，由此由此产生浓厚兴趣，果断地放弃了绘画职业。他从电线中流动的电流在电产生浓厚兴趣，果断地放弃了绘画职业。他从电线中流动的电流在电线突然断开时会迸出火花这一事实得到启发，线突然断开时会迸出火花这一事实得到启发，发明了电报和莫尔斯电码发明了电报和莫尔斯电码。电报的问世，增电报的问世，增加了对电路分析的需求。加了对电路分析的需求。1847 年，德国企业家西门子年，德国企业家西门子（Siemens，1816-1892）以敏锐的商业眼光以敏锐的商业眼光意识到意识到，电电报在未来一定会报在未来一定会得到广泛应用得到广泛应用。于是他。于是他和和机械工程师哈

27、尔斯克建立了西门子哈尔斯克电机械工程师哈尔斯克建立了西门子哈尔斯克电电磁进步踪迹 5 报机制造公司，用来生产西门子发明的指南针式电报机，这个公司也就是后来报机制造公司，用来生产西门子发明的指南针式电报机，这个公司也就是后来西门子公司西门子公司的前身。的前身。1848 年年，该，该公司赢得了公司赢得了法兰克福法兰克福至至柏林柏林的电报线路合同，从此开始了大发展。的电报线路合同，从此开始了大发展。1866 年，西门子研究年，西门子研究了发电机的工作原理，了发电机的工作原理，并并发明了第一台直流电动机。西门子研发明了第一台直流电动机。西门子研发的技术往往马上被产品化投入市场，或者将其应用到新的产品中

28、。例如有轨电车、无轨发的技术往往马上被产品化投入市场，或者将其应用到新的产品中。例如有轨电车、无轨电车、电梯、电气火车等电车、电梯、电气火车等，都是西门子公司利用其创始人的发明最先投入市场的。都是西门子公司利用其创始人的发明最先投入市场的。西门子西门子公司至今仍是技术领先的公司至今仍是技术领先的世界世界著名企业。由此可见，只有紧跟科技发展，产品不断创新，著名企业。由此可见，只有紧跟科技发展，产品不断创新，质量精益求精，质量精益求精，企业企业发展发展才能才能蒸蒸日上蒸蒸日上。1882 年年，爱迪生爱迪生（Thomas Alva Edison，18471931）建成美国第一座商业直流发电建成美国第

29、一座商业直流发电厂，其后又建立了威斯康星州亚普尔顿水电站，完成了初步的电力工业体系。爱迪生厂，其后又建立了威斯康星州亚普尔顿水电站，完成了初步的电力工业体系。爱迪生是商是商业业和发明和发明天才，他天才，他一生完成了许多发明一生完成了许多发明，这些发明促进了电的普及，这些发明促进了电的普及和应用和应用。另一方面，另一方面，1886年年，美国工程师美国工程师乔治乔治威斯汀豪威斯汀豪斯斯（George Westinghouse，18461914）领导的领导的西屋电气西屋电气公司公司建成建成了交流发电、交流供电系统。了交流发电、交流供电系统。出生在克罗地亚的出生在克罗地亚的美籍工程师美籍工程师尼古拉尼

30、古拉特斯拉特斯拉（Nikola Tesla，18561943），于于 1886年发明年发明了了第一台感应电第一台感应电动动机，机，1888 年发明年发明了了两相异步特斯拉电动机两相异步特斯拉电动机。特斯拉对交流电特斯拉对交流电十分十分感兴趣，感兴趣，因而因而离开离开了了爱迪生爱迪生，加入加入了了威斯汀豪威斯汀豪斯斯的企业。的企业。在在西屋电气公司于西屋电气公司于 1899 年建成年建成的的 10 万马力尼亚加拉水电站交流电系统中，使用了特斯拉万马力尼亚加拉水电站交流电系统中，使用了特斯拉 9 项重要专利。该水电站的建项重要专利。该水电站的建成，成，首次实现了电能的远距离传输，并且至今仍能运行。

31、首次实现了电能的远距离传输，并且至今仍能运行。经过长经过长达达 10 年的年的残酷残酷争论，他争论，他与威斯汀豪与威斯汀豪斯斯的交流电战胜了爱迪生和汤姆逊的直流电。的交流电战胜了爱迪生和汤姆逊的直流电。他不去解决当时直流输电遇到的他不去解决当时直流输电遇到的问题问题，而是，而是干脆干脆绕开直流电，专注研究交流电。这种走“后门”式的颠覆性发明当今仍值绕开直流电，专注研究交流电。这种走“后门”式的颠覆性发明当今仍值得借鉴。得借鉴。特斯拉是特斯拉是发明发明天才，天才，他产生发明的速度他产生发明的速度，甚至超过人们理解和接受的速度甚至超过人们理解和接受的速度。他发他发明的特斯拉线圈被广泛用于无线电、电

32、视机等明的特斯拉线圈被广泛用于无线电、电视机等。他还发明了遥控技术他还发明了遥控技术、无叶片涡轮机等无叶片涡轮机等。他在无线通信技术中也做出了重要的先驱性贡献他在无线通信技术中也做出了重要的先驱性贡献。他他还是还是无线电无线电能能传输的传输的先驱先驱，他设想的他设想的全球无线电能传输全球无线电能传输，宏伟而宏伟而深奥深奥。他的发明他的发明给给人类带人类带来了来了两次工业革命两次工业革命。所以所以人们应该更人们应该更多地记住特斯拉的贡献多地记住特斯拉的贡献，使其不使其不要要成为成为“被遗忘的天才”“被遗忘的天才”。1888 年年，俄国电工科学家俄国电工科学家多利沃多利沃-德布罗夫斯基德布罗夫斯基

33、（Dolivo Dobrowolski,Michael von,1863-1919）和德尔伏发明了三相交流制，为三相交流电在世界上的普及奠定了重要基和德尔伏发明了三相交流制，为三相交流电在世界上的普及奠定了重要基础础。至今电力传输的主要方式仍然是三相交流。至今电力传输的主要方式仍然是三相交流。出生出生于于德国的美籍电机工程师斯泰德国的美籍电机工程师斯泰因梅茨因梅茨（Charles Proteus Steinmetz，18651923），受受瑞士瑞士数学家阿根德所提出的用矢量表示复数方法的启发，他用复平面上的相量来表示正数学家阿根德所提出的用矢量表示复数方法的启发，他用复平面上的相量来表示正电磁

34、进步踪迹 6 弦交流电。弦交流电。1893 年他年他向国际电工委员会报告了用复数计算正弦交流电路的方法，他称为符向国际电工委员会报告了用复数计算正弦交流电路的方法，他称为符号法。该方法提升了人们计算交流电路的能力，从而促进交流电事业的发展。号法。该方法提升了人们计算交流电路的能力，从而促进交流电事业的发展。关于斯泰因关于斯泰因梅茨的梅茨的“一条线，一万元”的故事，充分说明了“知识就是财富”的道理。“一条线，一万元”的故事，充分说明了“知识就是财富”的道理。到到 19 世纪世纪末期末期，人类，人类基本基本结束了结束了由由瓦特发明的蒸汽机起所开创的蒸汽时代，瓦特发明的蒸汽机起所开创的蒸汽时代，进入

35、进入了了电气时代电气时代，带来了第二次工业革命，带来了第二次工业革命，产生了电气工程。，产生了电气工程。（五五）伴随电气工程的发展，伴随电气工程的发展，通讯技术和通讯技术和电子技术也在不断进步。电子技术也在不断进步。1894 年，年，年仅年仅 20 岁的岁的意意大利人马可尼（大利人马可尼（G.Marconi,18741937），获悉获悉赫兹几年前所做的实验，赫兹几年前所做的实验，认识到认识到电磁波电磁波是是存在的，存在的，并以并以光速光速在空中传播。他很快就想到可以利用这种波向远距离发送信号而又不需在空中传播。他很快就想到可以利用这种波向远距离发送信号而又不需要线路，这就使电报完成不了的许多通

36、信有了要线路，这就使电报完成不了的许多通信有了新的新的希望希望。经过一年的努力，。经过一年的努力，在特斯拉系列在特斯拉系列发明的基础上发明的基础上，马可尼马可尼于于 1895 年成功地发明了年成功地发明了电报电报装置。他装置。他用赫兹的火花振荡器作为发用赫兹的火花振荡器作为发射器，通过电键的开、闭产生断续的射器，通过电键的开、闭产生断续的符合符合莫尔斯电码莫尔斯电码的的电波信号。电波信号。1896 年他在英国做了该年他在英国做了该装置的演示试验，首次获得了这项发明的专利权。装置的演示试验，首次获得了这项发明的专利权。1899 年他发送的无线电信号穿过了英吉年他发送的无线电信号穿过了英吉利海峡。

37、利海峡。就在此时，就在此时，俄国发明家俄国发明家波波夫波波夫（18591906）同样同样被赫兹的发现被赫兹的发现强烈吸引强烈吸引，提出了可提出了可以用电磁波进行以用电磁波进行无线电通信无线电通信的设想。的设想。1894 年，年，他他制成了一台无线电接收机，第一次在接收制成了一台无线电接收机，第一次在接收机上使用了天线。这也是世界上的第一根天线。机上使用了天线。这也是世界上的第一根天线。1895 年年 5 月月 7 日，在彼得堡俄国日，在彼得堡俄国物理化学物理化学学学会的物理分会上会的物理分会上，波波夫表演了他发明的无线电接收机波波夫表演了他发明的无线电接收机。几十年以后几十年以后，这一天被定为

38、这一天被定为“无无线电发明日线电发明日”。由于马可尼由于马可尼、波波夫波波夫和特斯拉和特斯拉发明的无线电，人类发明的无线电，人类从此开始了无线通从此开始了无线通信信时代时代，并并逐渐逐渐发展成今天人们所依赖的无线移动通信，极大地发展成今天人们所依赖的无线移动通信，极大地满足满足了人们相互交流了人们相互交流的需要的需要。19 世纪末，世纪末，荷兰物理学家荷兰物理学家洛伦兹洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，18531928）建立了建立了古典电子理论。随之而来的是，古典电子理论。随之而来的是，1904 年，年，英国物理学家英国物理学家弗莱明（弗莱明（John Ambrose Fl

39、eming，18641945）制成了带有阴极和）制成了带有阴极和阳极阳极的世界上第一只真空二极管的世界上第一只真空二极管，使爱迪生在研究灯丝时，使爱迪生在研究灯丝时发现的“爱迪生效应”有了发现的“爱迪生效应”有了真正的实用真正的实用价值价值，而爱迪生由于忙于商业活动没能顾及此项发，而爱迪生由于忙于商业活动没能顾及此项发明明；1906 年年美国人德美国人德福雷斯特（福雷斯特（L.De Forst，18731961）在真空二极管的在真空二极管的阴极阴极和和阳极阳极之间巧妙地加了一个栅板之间巧妙地加了一个栅板，从而，从而发明了发明了真空真空三极管三极管；1920 年第一家无线电广播电台年第一家无线电

40、广播电台在匹茨在匹茨堡开播；堡开播；1936 年英国广播公司建成年英国广播公司建成第一家电视台第一家电视台并正式播出并正式播出；1946 年年在在美国宾州大学美国宾州大学诞生第一台电子计算机诞生第一台电子计算机；1947 年年布拉顿（布拉顿（W.H.Brattin，19021987）、巴丁（）、巴丁（J.Bardeen，电磁进步踪迹 7 19081991）和肖克利和肖克利（W.B.Shockley，19101989）发明发明了了晶体三极管晶体三极管；。由由电气工程电气工程衍生出衍生出的的电子工程、电子工程、通讯通讯工程和计算机工程，又将人类带入了信息时代工程和计算机工程，又将人类带入了信息时代

41、，并与原并与原子能子能技术技术、航天技术、分子生物学和遗传工程一起、航天技术、分子生物学和遗传工程一起产生产生了了第三次工业革命第三次工业革命。可以说可以说，在在人人类经历的三次工业革命类经历的三次工业革命中中，有，有两次两次是由电磁是由电磁技术技术引起引起的的。大约大约至至 20 世纪世纪 30 年代年代，由于，由于欧姆定律欧姆定律、基尔霍夫定律基尔霍夫定律、等效电源定理等效电源定理，以及，以及阻抗阻抗、暂暂态响应态响应、电路模型电路模型等等概念概念的的相继相继建立，建立，从从一般电磁理论一般电磁理论中中衍生衍生出出了了新新的的分支即电路理论，分支即电路理论，并逐渐形成了独立学科并逐渐形成了

42、独立学科，主要主要是是为为满足当时电力工程和满足当时电力工程和通讯通讯工程的需要。工程的需要。20 世纪世纪 3040年代，电路理论进一步成熟年代，电路理论进一步成熟，不仅研究电路分析，不仅研究电路分析，还涉及还涉及电路综合电路综合。20 世纪世纪 40 年代以后，年代以后，由于生产的发展和由于生产的发展和第第二次世界大战的需要，除了电力和二次世界大战的需要，除了电力和电信电信以外，自动控制技术也以外，自动控制技术也在在飞速飞速发展。这样，在电气科学技术领域内就形成了三足鼎立的体系：电力系统、发展。这样，在电气科学技术领域内就形成了三足鼎立的体系：电力系统、通信通信系统和控系统和控制系统。制系

43、统。而而电路理论乃是这三个系统的共同基础。通常把电路理论乃是这三个系统的共同基础。通常把 20 世纪世纪 60 年代以前的发展阶段年代以前的发展阶段称为经典电路理论阶段。称为经典电路理论阶段。到到 20 世纪世纪 50 年代中年代中后后期，控制、信息、电子、计算机技术及航天等尖端技术的发展，期，控制、信息、电子、计算机技术及航天等尖端技术的发展，又又促进了电路理论内容和体系的革新，从而形成了近代电路理论促进了电路理论内容和体系的革新，从而形成了近代电路理论。特征是：特征是：出现了出现了多端多端器器件和集成件和集成电路电路；建立了建立了计算机辅助计算机辅助分析方法分析方法；研究研究有源有源网络综

44、合以及最优化设计网络综合以及最优化设计；对对非线非线性电路性电路研究更加深入研究更加深入；出现出现数字数字或数字与模拟混合或数字与模拟混合电路电路。新方向。新方向更是更是不断不断涌现涌现，电路电路故障故障诊断诊断、开关电容网络、超大规模集成电路、开关电容网络、超大规模集成电路等等，开始开始成成为电路理论的重要为电路理论的重要研究研究内容。内容。由此可见，由此可见，电路理论电路理论的产生背景是的产生背景是电磁学电磁学和电子学和电子学。起初起初主要主要研究发电研究发电、输电和用电输电和用电的能量属性的能量属性。随着电子技术和信息技术的产生，又随着电子技术和信息技术的产生，又着眼于电的信息属性，着眼

45、于电的信息属性，目前已目前已形成了能形成了能量属性与信息属性并重的局面量属性与信息属性并重的局面。在在当今各行业的仪器设备中，大当今各行业的仪器设备中，大都都含有电子技术部分含有电子技术部分。而而仪器设备在生产、科研、医疗诊断仪器设备在生产、科研、医疗诊断等等方面都起着举足轻重的作用。方面都起着举足轻重的作用。因此，电路理论因此，电路理论同时是同时是电气工程电气工程、电子工程、通讯工程、计算机工程电子工程、通讯工程、计算机工程、控制、控制工程工程和和测量工程测量工程的技术基础的技术基础，这是由，这是由于电具有易于传输、易于变换和易于控制的于电具有易于传输、易于变换和易于控制的自然属性自然属性。

46、（六六）当今社会当今社会，毫无疑问，电使我们的生活变得无限美好，毫无疑问，电使我们的生活变得无限美好，使产品丰富多彩使产品丰富多彩，使人们摆脱使人们摆脱了繁重的体力劳动了繁重的体力劳动，使生产力极大进步使生产力极大进步，使信息传输极度灵便。电不仅使信息传输极度灵便。电不仅改变着人们的生活改变着人们的生活方式，还改变着人们看世界的方式。不难体会，电方式，还改变着人们看世界的方式。不难体会，电如同如同衣食住行一样，与人类活动密不可衣食住行一样，与人类活动密不可分。从大世界到小家庭，到处都有电的身影。蓝天下的超高压电网将巨大电能从发电厂送分。从大世界到小家庭，到处都有电的身影。蓝天下的超高压电网将巨

47、大电能从发电厂送入入工厂工厂、矿山矿山和和千家万户千家万户；跨洋通讯也早已不是梦想，手里握着用超大规模集成电路制作跨洋通讯也早已不是梦想，手里握着用超大规模集成电路制作电磁进步踪迹 8 的通讯产品，缩短了地球上人与人之间，甚至人与遥远宇宙之间的时空距离。这样的事实的通讯产品，缩短了地球上人与人之间，甚至人与遥远宇宙之间的时空距离。这样的事实不胜枚举，只要我们闭目设想，如果突然没了电，这个世界将会是什么样子，就会感叹电不胜枚举，只要我们闭目设想，如果突然没了电，这个世界将会是什么样子，就会感叹电在这个世界中所占据的极其重要地位。在这个世界中所占据的极其重要地位。由于人类活动对电的强烈依赖性，一旦

48、电网运行不当导致大面积停电，哪怕是片刻的由于人类活动对电的强烈依赖性，一旦电网运行不当导致大面积停电，哪怕是片刻的时间也会带来惊人的损失，并可能造成社会混乱。时间也会带来惊人的损失，并可能造成社会混乱。2003 年年 8 月月 14 日的美加地区大停电，日的美加地区大停电，一天损失大约一天损失大约 300 亿美元，并使城市交通和航空运输陷入瘫痪。人们被困在路上或无空调亿美元，并使城市交通和航空运输陷入瘫痪。人们被困在路上或无空调的楼内的楼内，收款机无法使用收款机无法使用，商店停业商店停业，大部分手机因停电而无法接通大部分手机因停电而无法接通，核电站关闭核电站关闭，。2005 年年 5 月，因设

49、备老化和系统备用容量不足而引发的莫斯科大停电，使莫斯科电网月，因设备老化和系统备用容量不足而引发的莫斯科大停电，使莫斯科电网 321座变电站全部停止工作，约一半地区的工业生产、商业活动和交通运输陷入瘫痪，座变电站全部停止工作，约一半地区的工业生产、商业活动和交通运输陷入瘫痪，43 条地条地铁中断运行，铁中断运行，236 个交通信号灯熄个交通信号灯熄灭，引发一系列交通事故，使灭，引发一系列交通事故，使 1500 余人困在电梯内，一余人困在电梯内，一家化工厂发生爆炸家化工厂发生爆炸，。2008 年年 12 月间月间，中国南方电网遭受中国南方电网遭受 10 余天的雨雪冰冻灾害余天的雨雪冰冻灾害，大量

50、的高压铁塔被压垮，造成大面积长时间停电，大量的高压铁塔被压垮，造成大面积长时间停电，同样给中国经济造成巨大损失，给即将同样给中国经济造成巨大损失，给即将迎来节日的人们生活带来诸多麻烦。这样的事实反证了电与人类社会的密不可分性，也证迎来节日的人们生活带来诸多麻烦。这样的事实反证了电与人类社会的密不可分性，也证明了电的脆弱性。明了电的脆弱性。与其它技术一样的是与其它技术一样的是，电磁也具有两重性电磁也具有两重性，是双刃剑是双刃剑。“电子制导电子制导”、“电磁发射电磁发射”、“电电磁脉冲磁脉冲”，这些先进技术一旦用于战争这些先进技术一旦用于战争，杀伤的准确性杀伤的准确性极高极高，摧毁力极强摧毁力极强