第四节
新理论、新材料对电气工程技术的影响

到19世纪末，电工技术已在电力和电信两方面都取得了巨大的成功。在20世纪的前30年中，物理学的研究获得重大突破，建立了量子论和相对论，使人们对物质世界从小至原子到大至天体的认识都更为深入。20世纪初，电子管的发明带来了通信技术、无线电广播的兴起和繁荣。

20世纪40年代末，半导体三极管的发明标志着电子技术进入了一个新的阶段，很快就出现了多种半导体器件，它们在体积小、质量轻、功耗低等方面显示出优越的性能，使电气工程中的控制设备得到进一步的升级。

同样，20世纪40年代末发明的电子计算机是科技进步新的里程碑，计算机软件技术不断完备。20世纪50年代末研究出多种计算机语言，使得计算机的使用日趋方便。高速、大容量的电子计算机的作用已远不限于用作快速的计算工具，而是在生产、科学研究、管理等乃至社会生活的许多其他方面都成为技术进步的非常有力的手段。20世纪50年代发明的集成电路，使电子技术跨进了集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的时代。这些技术的出现，对电工技术产生了极大的影响。

20世纪50年代以后，在受控热核聚变研究和空间技术的推动下，等离子物理学与放电物理学蓬勃发展，在理论和应用两方面都取得了丰硕成果。

放电物理主要研究气体放电的物理图像和气体放电中的各种基本过程、其主要的特性和相关的机理以及常见的放电形式。

等离子体是宇宙中绝大部分可见物质的存在形式，其密度跨越30个量级而温度跨越8个量级。作为迅速发展的新兴学科，等离子体科学已涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、基础等离子体物理、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。这些研究领域对人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。

由电磁流体力学的理论而获得的磁流体发电是一种新型的发电方法。它把燃料的热能直接转化为电能，省略了由热能转化为机械能的过程。这种发电方法效率较高，可达到60%以上。同样烧1t煤，它能发电4500kW·h，对环境的污染也小，而汽轮发电机只能发电3000kW·h。

燃煤磁流体发电技术也称为等离子体发电，它是磁流体发电的典型应用，燃烧煤而得到2.6×10 ⁶ ℃以上的高温等离子气体并以高速流过强磁场时，气体中的电子受磁力作用，沿着与磁力线垂直的方向流向电极，发出直流电，经直流逆变为交流送入交流电网。

直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看成一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，近年来世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。

磁悬浮列车是一种利用磁极吸引力和排斥力的高科技交通工具。简单地说，排斥力使列车悬起来，吸引力让列车开动。磁悬浮列车上装有电磁体，铁路底部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，两者“同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧也装有线圈，交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作用，使列车前进。列车头的电磁体（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引，同时被轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥——结果是一“推”一“拉”。磁悬浮列车运行时与轨道保持一定的间隙（一般为1 ～10cm），其运行安全、平稳舒适、无噪声，可以实现全自动化运行。

20世纪60年代发明了激光技术。由激光器发出的光有相干性良好、能量密度高等特点，它首先在计量技术中得到应用，20世纪60年代末又利用它实现了光纤通信。这一技术是当代电子技术的又一大进展。它在电力系统通信中得到广泛应用。20世纪的许多重大技术进步都是在多方面的理论和技术综合应用的基础上实现的。电工技术在新技术进展中起着不可缺少的支持作用，新的技术进展又不断促进电工技术的进步。新的发电方式如磁流体发电已经实现，超导技术的进展将可能在电工技术中引起广泛的革新，等离子体研究的成果带来了实现受控核聚变的希望，在科技理论中信息论、控制论、系统工程等众多学科先后出现，各学科技术相互影响和发展，形成了当代科技进步的洪流，电工科技也将在其中继续发展。

当前世界上消耗的能量99%来自煤、石油、天然气等化石燃料，这些燃料是十分宝贵的化工原料，付之一炬，实在可惜，而地下蕴藏量极其有限。更为严重的是，它们燃烧时释放出大量的有害气体，污染环境，破坏生态，有损健康。现在所谓的清洁能源——核能发电是核裂变反应能，它存在两大问题：一是燃料铀的储存量有限，不足以人类用几百年；二是放射反应产生的废物难以安全保存。

一、能源、电力

受控热核聚变是等离子体最诱人的应用领域，也是彻底解决人类能源危机的根本办法。它是在人工控制条件下，将轻元素在高温等离子体状态下约束起来，聚合成的原子核反应释放出能量。其优点是：原料蕴藏量丰富，轻元素氘可以从海水中提取，世界上海水所含有的氘，若全部用来发电，可供人类使用数亿年。另外，受控热核聚变产生的放射性废物少，运行安全可靠，不会对环境造成威胁。美国、法国等国在20世纪80年代中期发起了耗资46亿欧元的“国际热核实验反应堆”计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似，受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。中国于2003年加入国际热核实验反应堆计划。位于安徽合肥的中国科学院等离子体研究所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位，其研究建设的“全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置”（见图1-35），于2006年9月28日首次成功完成了放电实验，获得电流200kA、时间接近3s的高温等离子体放电，稳定放电能力超过世界上所有正在建设的同类装置。虽然“人造太阳”的奇观在实验室中初现，但离真正的商业运行还有相当长的时间，它所发出的电能在短时间内还不可能进入人们的家中。根据目前世界各国的研究状况，这一梦想最快有可能在30～ 50年后实现。