電工學

電工學（electrotechnics）是研究電磁現象在工程中應用的技術科學。工科高等院校為各類非電專業技術基礎課。又稱電工技術。它包括電磁能量和信息在產生、傳輸、控制、應用這一全過程中所涉及到的各種手段和活動。作為一門技術基礎課，它的內容包括：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、數字電路、自動控制系統等。

電工的學習要講求理論與實踐的結合，在做實驗時一定要認真思考，仔細觀察實驗現象，記錄實驗數據．並且能時時對實驗中出現的問題提出解決的方案，從而鍛鍊自己的科學素養。

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.伏打發明瞭伏打電堆，使人類首次獲得持續穩定的電源，促進了電學的研究轉向電流，並且開始了電化學、電弧放電及照明、電磁鐵等電能應用的研究。19世紀中期電報的發明，促進了近代大型技術工程的誕生。1866年在歷盡重重挫折之後終於建成了長達3700公里橫跨大西洋的海底電報電纜。電報的發明，推動了社會經濟和公共事務的交流，促進了電工基礎理論與實驗技術的發展，帶動了電工製造業以及近代管理企業，提出了新型技術人才培養的要求，是電工發展史中重要的一頁。

1831年M.法拉第發現電磁感應定律，開始了電磁科學與技術的重大飛躍。這一定律的發現不僅使靜電、動電（電流）、電流與磁場的相互感生等一系列電磁現象達到了更加全面的統一的認識，而且奠定了機電能量轉換的原理基礎。1873年，J.C.麥克斯韋導出描述電磁場理論的基本方程──麥克斯韋方程組，成為整個電工領域的理論基礎。發電機的發明實現了機械能轉換為電能的發電方式，衝破了化學電源功率小、成本高、難以聯網等限制，征服了自然界藴藏的神奇的動力，預告了電氣化時代的來臨。

發電和用電是一個連續生產的整體。必須擴大用電範圍才能使發電從社會需要獲得發展動力。與發電機的發明過程同時，電照明、電鍍、電解、電冶煉、電動力等工業生產技術紛紛成熟，孕育了發電、變電、輸電、配電、用電聯為一體的電力系統的誕生。19世紀90年代三相交流輸電技術的發明成功，使電力工業以基礎產業的地位跨入了現代化大工業的行列，迎來了20世紀電氣化的新時代。

現代科學技術和工業的發展是基礎理論研究、應用研究、技術開發緊密結合的過程。科學技術綜合化的發展趨向日益明顯，必須使個體研究轉向集體研究，正是電工的成長，率先踏上這一必由之路。1876年，T.A.愛迪生創辦了世界上第一個工業應用研究實驗室。在這個被人們讚譽的“發明工廠”裏，他組織一批專門人才分工負責，共同致力於同一項發明，打破了以往只是由科學家單獨從事研究發明的傳統。這一與近代科學技術和生產力發展水平相適應的技術研究和開發的正確道路，顯示出巨大的活力，推動了電力生產與電工製造業的迅猛發展，也開創了基礎科學、應用科學、技術開發三者緊密結合、協同發展的先河。

早在1883年電能開發的萌芽時期，恩格斯就曾經評價了它的意義：這實際上是一次巨大的革命。蒸汽機教我們把熱變成機械運動，而電的利用將為我們開闢一條道路，使一切形式的能──熱、機械運動、電、磁、光──互相轉化，並在工業中加以利用。循環完成了。德普勒的最新發現，在於能夠把高壓電流在能量損失較小的情況下通過普通電線輸送到迄今連想也不敢想的遠距離，並在那一端加以利用──這件事還只是處於萌芽狀態──，這一發現使工業幾乎徹底擺脱地方條件所規定的一切界限，並且使極遙遠的水力的利用成為可能，如果在最初它只是對城市有利，那麼到最後它終將成為消除城鄉對立的最強有力的槓桿。”一個世紀以來人類社會的發展歷程，充分説明了這一預見的正確性。

電磁是自然界物質普遍存在的一種基本物理屬性。因此，研究電磁規律及其應用的電工科學技術對物質生產和社會生活的各個方面，包括能源、信息、材料等現代社會的支柱都有着深刻的影響。電能作為一種二次能源，它便於與各種一次能源進行轉換，從多種途徑獲得來源（如水力發電、火力發電、核能發電、太陽能發電等）；同時又便於轉換為其他能量形式以滿足社會生產和生活的種種需要（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、傳送、使用中更易於調控。這一系列優點，使電能成為最理想的二次能源，格外受到人們關注。電能的開發及其廣泛應用成為繼蒸汽機的發明之後，近代史上第二次技術革命的核心內容。20世紀出現的大電力系統構成工業社會傳輸能量的大動脈，以電磁為載體的信息與控制系統則組成了現代社會的神經網絡。各種新興電工材料的開發、應用豐富了現代材料科學的內容，它們既得益於電工的發展，又為電工的技術進步提供物質條件。

電工學的基礎理論的成就極大地豐富了人類思維的寶庫。物質世界統一性的認識、近代物理學的誕生，以及系統控制論的發展等，都直接或間接地受到電工發展的影響。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展。

19世紀末在電工學發展的進程中形成了許多技術基礎理論分支。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，電介質理論，氣體放電理論等都發展成為系統的科學知識。20世紀50年代以來，計算機技術、電子技術以及工程控制論等一系列新興的科學技術理論蓬勃發展，基礎科學、應用科學和技術開發之間的知識結構更加緊密，各門學科與專業之間互相滲透，互相交叉，使科學技術和社會生產形成一個既深入分化又高度綜合的龐大複雜的整體，同時也促進了電工理論的發展。靜電場、電磁場等結構複雜又包括多種媒質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、函數空間等都引入了電工理論。基於等效模型的概念發展了虛擬的磁荷與磁流模型，研究了多種動態位及不同的規範選擇，提出了有關廣義能量的定理等。由於系統與元件相結合而擴大了元件的內涵，包括了邏輯門、可控源、迴轉器以及大規模集成塊等。各類工程系統的發展形成了共同的網絡理論基礎，使網絡擴展成為研究某種特定空間結構和運動狀態的一般性理論方法。廣義網絡理論又將“場”與“路”結合起來，出現新的邊緣理論領域，如物理場論的網絡模擬、輻射場的網絡方法、等離子體的網絡圖解等；引用系統論的研究成果，將系統的整體性能和行為與系統結構、參數及局部物理量結合起來，進一步豐富了網絡問題的內容。系統穩定性分析，多維繫統的研究，狀態空間的拓撲等值性，動態系統的反饋理論和漸近性問題，以及網絡故障的自動偵察、診斷等，都成為引人注意的研究課題。在人類歷史發展的漫長歲月裏，技術革命是強大的推動力。取火使人類擺脱了原始矇昧；金屬工具幫助人類建立起農業文明；動力，特別是電能，擴大了人類體力勞動能力，出現了現代化的大工業生產。以電子和計算機技術為特徵的新技術又在延伸人類的智力功能。正是電磁規律在能源、信息、控制等領域的技術應用，描繪出現代化社會的藍圖，形成新技術革命的主流。它衝激着社會生產和生活的每一個角落，不僅大幅度地提高了社會生產力，創造出豐富的物質財富，而且改變着人們的生活方式、社會行為、教育訓練、思維方法，促進了社會的精神文明。電工正在與現代科學技術相匯合，繼續發揮社會支柱的作用。

能源是人類社會賴以生存的最基本的物質條件之一。電能以其獨特的優點成為人類開發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年代開始應用電能以來，幾乎所有社會生產的技術部門以及人民生活，都逐步轉移到這一嶄新的技術基礎上，極大地推動了社會生產力的發展，改變了人類的社會生活方式，使20世紀以“電世紀”載入史冊。

電照明是較早開發的電能應用。它消除了黑夜對人類生活和生產勞動的限制，大大延長了人類用於創造財富的勞動時間，並且改善了勞動生產條件，豐富了人們的生活。這為電能的應用奠定了最廣泛的社會基礎，成為推動電能生產的強大動力。電傳動是範圍最廣、形式最多的電能應用領域。電動機是冶金、機械、化工、紡織、造紙、礦山、建工等一系列工業部門與交通運輸以及醫療電器、家用電器的最重要的動力源。各種類型的電動機佔去全部用電設備總功率的70%左右。電傳動在效率、精度、操作、控制、節能、安全等許多方面都具有無可比擬的優越性，並且在向着機電一體化以及工業機器人等新技術方向發展，從根本上改變了19世紀以蒸汽動力為基礎的初級工業化的面貌。電能轉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部，且加熱均勻、熱效率高、容易控制。因此，電加熱在冶金工業及製造工業中成為重要的加工方式。電能在化工領域的應用開闢了電化學工業體系，包括電解工業、電熱化學工業，以及等離子體化學、放電化學、界面電化學、電池工業等，推動了化工工業的發展。電物理裝置的研製成為電能應用的新領域。各種能級和不同用途的加速器、大功率電脈衝裝置、大功率激光設備、受控核聚變裝置等所需要的電源技術、磁體技術、控制和監測技術等都促進了電能的利用和電工的發展。總之，隨着科學技術的發展，電的應用不僅影響到社會物質生產的各個側面，也越來越廣地滲透到人類生活的各個層面（醫療電器的廣泛應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代化的同義語，電氣化程度已成為衡量社會物質文明發展水平的重要標誌。

世界各國都十分重視電能在國民經濟中的地位和作用。近一個世紀的實踐表明，許多工業發達國家的電力生產大約以年平均7%的速率增長，超前於國民經濟的發展速度，避免了經濟發展受電能短缺的限制。例如，1950～1980年30年間，美國實際國民經濟生產總值年平均增長率為3.4%，而電能生產量年平均增長率為6.26%，兩者之比即電力彈性係數為1.84；英國、法國、蘇聯等國家的電力彈性係數也在1.28與1.97之間。1937年世界發電量為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，大大超過其他經濟部門的增長速度。中國1949～1991年間，電力工業發展也極為迅速。年發電量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。據數十個國家的統計，各國人均年產值的增長與人均年耗電量的增長呈線性關係。電能消費的單位指標如單位國民生產總值、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年代以前發達國家的電能消耗量約佔能源消耗總量的4%，1985年已佔30%以上，預測2000年將達到40～50%。擴大電能應用是20世紀各國國民經濟發展的顯著特徵。電能已經成為現代化社會須臾不可中斷的經濟命脈。社會發展對電能的需求成為電工必將持續發展的巨大動力。

電工製造業為電能的生產和消費系統提供物質裝備。隨着各國對電能需求的不斷增加，為滿足建設大型電站的需要，通過改進發電機的冷卻技術，採用新型絕緣材料、鐵磁材料，改進結構設計，使發電機的單機功率增大、效率提高、成本降低。最大火力發電機組的功率1926年為160兆瓦，到60年代已成批生產500～600兆瓦火電機組，1973年第一台1300兆瓦火電機組投入運行。此後，由於受到材料性能以及大型機組在設計製造上的缺陷等因素的限制，投運後事故較多，可用率降低，使大型火電機組的發展趨勢減緩。80年代，大約有四分之三的火電設備單機功率穩定在300～700兆瓦。水力發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（第一台工業用試驗性機組）提高到80年代的1300～1500兆瓦。

隨着大型電站以及跨地區、跨國際大電網的建設，要求提供超高壓、大容量的輸變電設備。繼1952年製造第一套380千伏交流輸變電成套設備後，1965年製成了735千伏交流輸變電成套設備。70年代以來，又先後製成1000～1500千伏交流輸變電設備。50年代最大變壓器容量為500兆伏安，1975年已達1800兆伏安。斷路器的製造經歷了多油式、少油式、壓縮空氣式和六氟化硫（SF6）氣體絕緣等不同發展階段，近10多年又發展了SF6組合式電器，縮小了佔地面積（750千伏級約為1/75）和空間，並提高了運行可靠性。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，為提高電力系統的穩定性創造了條件。

在用電設備中，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，改善了工廠的環境，提高了機牀的效率和精度。電力機車同柴油機車一道代替了蒸汽機車。在家用電器中，出現了洗衣機、吸塵器、電風扇、空調器、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的需要，各類電爐正向大容量、大功率、低能耗方向發展。1971年已有360噸電弧爐投產。進入80年代又開發了800噸電弧爐。採用超大功率電弧爐一般可將熔鍊時間縮短三分之二，電耗降低23%。電力電子技術的出現不僅使直流輸電技術得以穩步發展，而且使交、直流傳動技術和各種電源轉換技術都得到革新。它將微機控制與功率執行緊密結合，統一完成邏輯、控制、監視、保護、診斷等綜合功能，有力地推動着機電一體化的技術潮流。80年代，在電動機上採用功率因數控制器後，一般單相電動機可節能20～50%，三相電動機可節能5～10%。通過設備性能改進，產品容量增大，電壓等級提高，電網互聯運行等，使發電設備容量的利用率得到合理地提高，輸配電設備每千伏安的造價大幅度降低。發達國家電力系統的損耗，從30年代約佔電能生產總量的18%減少至80年代的7%，預計還將會進一步降低。在此期間，電價降低了約65%。