2.5电力和通信

电磁力，宇宙中最基本的四大相互作用之一，在所有的物理结构中都起到了至关重要的作用。它的作用范围无限，能够引起宏观物体之间的相互作用，例如能把太阳能带到地球上来。电磁辐射可以用于长距离通信，还有无数其他方面的用处。电磁力作为在原子结构和电子运动中占支配地位的作用力，也是造成核子层次上所有微观相互作用的缘由，可以用于制造电子装置，包括电子计算机。一旦电磁力的大门被物理学打开，其无穷无尽的潜能就会变成电气工程学的天堂。“电气工程学”是笔者在这里使用的一个总括的术语，涵盖电子工程与计算机工程技术。

电气工程学就像一枚有着数个助推器的多级火箭。它的第一级是电力；第二级是远距离通信：电报、电话、无线电以及电台广播等。还有两级点燃于第二次世界大战之后，那就是微电子学和电子计算机。自从 20 世纪末以来，通信、计算技术和微电子学在信息技术中一直在快速地交聚，以致有人认为其改造社会的效应不亚于当年的工业革命。

早期的电力工业和电气工程教育

从古代以来，一些电学和磁学现象就为人所知，但是直至19世纪，经由许多科学家的努力之后，才发现了电和磁之间的内在关系。1831年，法拉第（Michael Faraday）发现了由磁场强度改变而产生的电流，从而开拓了将机械能转化为电能的道路；反之亦然，电能也可以转化为机械能。1864 年，麦克斯韦提出了电磁波的理论。24 年以后，他的预言被赫兹（Heinrich Hertz）在实验中证实，后者受过工程学和物理学教育。法拉第和麦克斯韦的发现，逐步成了电力工程和通信工程的科学基石。物理学家并没有到此止步，不久他们发现自己已站在原子世界大门前的台阶上。1897年，J. J.汤姆孙（J. J. Thompson）确定了电子的存在。3年以后，普朗克（Max Planck）开创了量子现象研究的先河。他们都促成了电子学和微电子学的长期融合。 ⁵³

从电报和照明开始，电力得到了大规模应用。在英国，1838年惠斯通（Charles Wheatstone）沿着连接帕丁顿和西德雷顿两地的铁路，建造了世界上第一条商用电报线路。当时，警察接到一份用电报拍来的警报，就预先等在火车站，果然抓获了一个乘车前来的逃犯，这件事成了轰动一时的社会新闻。在这条电报线路建立之后不久，莫尔斯（Samuel Morse）也在美国建立了巴尔的摩与华盛顿之间的电报线路，他的作业技术很快便在该行业占据了统治地位。1858年，一条海底电缆横跨大西洋发送了第一份电报，而南福伦特灯塔放射的第一束电灯光芒照耀大海上空。当时的电报和弧光灯都相当简陋，由专用发电机提供电力，并没有向电气工程师们提出更高的要求。

时至 1880 年左右，巨变正在发生。电报开始面对来自电话的竞争，贝尔（Alexander Graham Bell）申请到电话的发明专利权，并开始在商业上投产。照亮公共场所的弧光灯，也面对着来自爱迪生（Thomas Edison）发明的白炽真空灯泡的挑战，而后者更加适合于住宅和办公室照明。在爱迪生成功地实现分路电流技术后，不久便由中心电站发电、配电，并把电力作为一种商品出售。威廉·西门子展出了一条电气铁路，以及连接电力客户照明电路的各种型号的电动机。于是世界站到了将使人着迷 40 年的电气化的门槛上。电力行业和电气设备行业都做好了起飞的准备，迫切需要具备电力知识的工作者。

大学回应了时代的召唤，学生们也是如此。1882年，麻省理工学院开设了第一门有关电气工程学的正规课程。康奈尔大学紧随其后，接踵而来的是其他一些政府赠地大学 ，而常春藤联盟的名牌大学行动则迟缓多了。攻读新专业的学生在剧增。在麻省理工学院 1892 级学生中，有 1/4以上主修电气工程学。在大多数大学里，电气工程学专业原本作为物理系的一部分，所教的电气内容大部分都是物理学。对工程学的热情，结果发展成为对物理学的热情。从建校起，康奈尔大学和麻省理工学院就要求全体学生必修物理学课程，但是实际上很少有学生学习超过校方的最低规定的课程。如今电气化时代到来了，他们也像来电了一般挤满了各个物理实验室。

电气工程学的茁壮幼苗，根植于自然科学的肥沃土地，而它的繁花则沐浴在工业发展的阳光下。随着技术的突飞猛进，那些开设电气工程学课程的物理学家们，渐渐发现自己已无法跟上技术发展的步伐，尤其是在电话学、电气照明和电动机、交流发电机和电力传输等技术领域。一些富有实际经验的工程师从产业转向教学，在19世纪90年代开设了一批颇有特色的电气工程学课程。于是，大学里的电气工程学系一个接着一个地相继独立出来了。早在1884年，即在美国物理学家组织他们自己的专业学会之前15年，美国电气工程师协会（AIEE）就已经创立了。

电力和通信两者都用到了电学现象，但是却拥有不同的技术。由于美国电气工程师协会侧重于电力方面，从事通信专业的工程师们便在1912年组建了自己的协会。深受无线电波横扫八方的鼓舞，无线电工程师协会（IRE）是跨国性质的，它从一开始就广纳贤士，欢迎加入的不仅是美国工程师，而且是世界各国在各个专业上涉及电磁学和电子学的其他行业人士。AIEE和IRE两个组织在1963年合并，重组成电气电子工程师学会（IEEE），这是目前最大的工程技术或科学职业的协会。

为世界提供动力

从断电引起的破坏性后果中，可知现代社会对电力的依赖程度何等之深。除电气和电子设备无处不在外，电气化是通过改变生产工艺与提高生产力的途径来促使经济增长的。在蒸汽机时代，把工业机器连接在处于中心位置的发动机上，成组地加以驱动。电动机却让机器卸除了多余的轮轴和传动带。结果是，组合的传动装置使得工业工程师根据所做工作去确定机器的位置，从而优化它们的效率，并有可能实施大规模生产线。1920年，电力首次超出蒸汽力而成为工业的直接动力。在此后的25年中，制造业的资本生产率增长了75％左右，劳动生产率增长了两倍以上。而且，由于电力生产更有效率，制造业的单位能耗也在下降。对于大型蒸汽涡轮机驱动的发电机来说，单周期能量转化效率从1900年的5％上升到约40％。热电联产的发电厂总效率可以高达60％，因为除了发电之外，发电厂所生的余热，通常又以蒸汽的形式供给其他产业使用。尽管这些变化在消费者看来并不显眼，但是提高了的生产率足以提供各种产品和服务，从而深远地改变人们的生活条件。 ⁵⁴

电气化需要工程技术和其他领域的许多工作者分工合作，齐心协力。机械工程师设计能量变换发动机和别的机器。土木工程师建造水力发电的堤坝。技术的领军者是电气工程师。电力生产和电力应用是电气化这枚“硬币”的两面。电力供应包括三个方面：一是 发电 ，把燃料或流水的能量通过机械的原动机转化为电力；二是 输电 ，把从中心电厂发出的大量电力在高电压下传输到用户附近的地区性枢纽变电站；三是 配电 ，把枢纽变电站的电力在中等电压下送至为各个终端用户供电的输电线（图 2.5）。使用电力还必须具备：照明和加热装置，驱动工业机器、交通运输工具和家用电器的电动机，适合各种电子器件的电流和电压源，以及测量仪表仪器。上述所有这些都要求有专门的工程技术设计。

最初发电和供电两者是捆绑在一起的。点亮纽约市各条大街的爱迪生电力系统公司，经营范围包揽了从白炽灯泡到发电站的每一样东西。这两种业务很快便分离成两种行业：一是 公共供电 行业，例如联合爱迪生公司之类；一是 电气设备 行业，例如通用电气公司之类。然而，商业上的分离并不意味着它们在技术上也是截然分离的。电器必须设计成适合可用电力的特性，出国旅行的人一直因为随身所带电器的变压器和插头不符合当地标准而苦恼，这是众所周知的事实。反之，供电商必须确保其电力适合电器型号，即便不是通用的，也得是大多数人惯用的；如果他们做不到这点，就会面临一个萎缩的市场，就无法从电力生产的规模经济中获利。例如，美国现今采用的电力频率标准是60赫兹（Hz），这是在工程师们对 25—133 赫兹之间所有数值作了一系列尝试之后才得到的结果。最后的选择似乎有点独断的味道；例如在欧洲，只有 50 赫兹才能顺利运行。但是，这件事也不算太独断。实际上，这一狭小范围是由电力照明和感应电动机两者技术要求之间的折中所决定的。在早期的时日，在没有多少政府法规可循的情况下，无数的竞争参与者为力求达成一致的协议和标准，进行了何等激烈的讨价还价，这足以见证技术理性的力量。

关于直流电（DC）和交流电（AC）孰优孰劣的论争，历时长达 10 年之久——这就是所谓的“电流之战”——充分表明了电力和电器、发电和配电之间的技术关系。交流电的技术更为复杂。霍普金森（John Hopkinson）想出了使交流发电机并联运行的方法，特斯拉（Nikola Tesla）发明了三相交流电动机，斯坦梅茨也解决了许多技术上的难题。要不是上述这些人的努力，交流电很可能还赢不了这场恶战。尽管直流电取得了先前的成功，爱迪生也极力为之辩护，但为什么那些工程师还要坚持开发交流电呢？一个重要原因在于电流传输问题。直流电无法进行超长距离的有效传输，这一弱点迫使发电厂的位置必须靠近终端用户，而用户大部分都住在人口密集的城市。相比之下，采用较简单的方法就能使交流电高电压、低损耗地传输，使得发电厂的最理想位置有可能靠近它们取得能源的地方。交流电的凯旋彰显了电力传输技术的重要性。

在许多地方，用户的电力付款单上会分列出服务费用的明细账目。看看你的账单，你会发现付给发电的钱竟然要比付给送电的钱少一些。

设计和管理电网

电力供应有它自己的一些独特之处，要求有专门的工程技术。它必须极其可靠，因为这是大部分经济和社会活动的基础。电力无法大量储存，它在产生出来以后就必须及时用掉。在一天的不同时间内，以及在一年的不同季节里，对电力的需求量也有很大不同。为了对上下波动的需求提供十分可靠的电力，公共供电行业传统的做法是对发电厂预定的发电能力留有充分的余地。为了加强节约和提高效率，公共供电公司设法把它们各自的输电网络相互连接起来，以便那些有更大需求的客户能向那些产能过剩的公司购买电力。大规模电网创建始于20世纪 20年代，当时工程师威廉·默里（William Murray）企盼出现他所谓的“超级电力”，通过某种电网用“超级电力”把整个国家紧密地连成一片。他的展望已经实现了。现在，一个拥有 67 万英里（约 100 万千米）长的高压线路的电网，覆盖了整个北美地区。 ⁵⁵

一个电网连接着上千发电机组和百万计的客户，是一个复杂得令人望而生畏的巨无霸网络系统。而且，大多数电网都不能用普通的开关来操作。用机电式开关控制实时电流实在太慢，而通常的电子开关则瞬间就会烧坏。能够经受得住高电压的电子设备，即使在今天也是很珍稀的，在当时更是不存在的。一旦电流输入电网，它就按照物理学定律和整个电网的特性进行传播。在电工学上通常称为 环流 （loop flow）的这种现象，可以让电流在电网中绕上一个大弯。从尼亚加拉大瀑布预定送往纽约市的电力，有时也会通过输电线远至俄亥俄州。电网的操作员并不直接地控制电力流动的路线。他们所能做到的一切，就是对负载和涉及的发电机输出两者进行协调。为此，电力系统网络是连接在同样复杂的数据网络上的，后者专门收集和处理危急的信息，以便协调、分派和确保电网的可靠运行。

相当数量的工程技术需求，揭示了设计和控制电网的巨大难度。自从 1920 年以来，电气工程师们一直致力于电网的建模、负载的多样化、电流的分析、稳定性的调研，以及控制算法的设计，为此倾注了大量的心血。在早期阶段，电网分析员堪称是数字计算机最大的商务用户。他们的努力对发展具有广泛意义的控制论和系统论作出了贡献。

电网密集的相互连接使资源共享变得便利，但是却以电网的不稳定和可能崩溃为代价。一旦某些装置发生故障，举例说，当某些线路被坏的变压器阻断时，环流效应就会自动迫使电厂的电流进入可供选择的其他线路，要冒着使它们负荷超载并导致跳闸的风险。因此，一个小小的地方性偶发事故，就会造成电网其他部分的瘫痪，这种故障依次扩散开去，势必引起大面积的停电。1996年8月10日，正是一个串联故障致使美国西北大片地区发生停电事故，经济损失估计超过 10 亿美元。如何确保电网的可靠性，是压在工程师肩头的沉重担子，这种可靠性包括供应所需电力的能力，以及要经受得住诸如发生闪电击中变压器之类意外故障的能力。

可靠性变得越来越重要，因为当下所采用的敏感的信息处理装置，要求通过的电流比以往任何时候都更加稳定。然而，鉴于新近撤销了原有管制规定，并由此引发了供电行业的结构重组，可靠性正在受到威胁。某些唯利是图的发电厂使得电网的运行更加反复无常，每一家的行为都会影响到整个电网的运行态势。除此以外，电网也在老化之中；许多构件的服务年限已经超过了它们的设计寿命。由于市场竞争驱使企业缩减费用，电网的维护支出也在直线下降。诚然，通过能源交易和打开电网通道，可以释放洪水般的大量电流，但是一旦传输量逐渐接近电网所许可的容量，电网动力学的复杂性就会急剧上升。对电网新容量的提升几乎陷于停顿，部分原因还在于环境诉讼的费用过高。

电子开关能够改变特定线路上的电流，实时回应电路发生的故障，前所未有地增强了控制电网的能力。在历经了几乎长达20年的研究开发之后，电子开关终于正式投入电网使用。可是，由于它们的价格十分昂贵，很可能阻碍了进一步的推广应用，尤其是那些被撤销管制规定的行业，当下正忙于攫取短期利润。原先专为受当局温和管制的行业而设计的电网已经老化，在今天纷扰的竞争性市场中，如何设法稳妥地让它们更加可靠地运行，这对电力工程师来说，不啻是一个严峻的挑战。

或许历史给人们上了一堂教育课。工程师卢基斯（Alexander Lur-kis）曾经主持纽约市官方专案组调查该市首次大规模停电事故。他注意到，1957年爱迪生联合公司的总裁忽略工程师而重视一个会计师，后者把服务质量排在获取利润之后，并发起了一场大规模的市场营销活动：“当社会对电力的需求剧增时，该项目还是成功的，但是1959—1981年期间的工程规划和决策却失败了：1965年的停电事故袭击了美国整个东北地区，损失十分惨重；由于各个发电厂电力不足，被迫降低线路电压，结果导致了灯火管制；遍及大都会地区的大面积电力中断，需要很长时间才能使电力恢复正常；1977年，停电击溃了整个爱迪生联合公司的电力系统；1981年，在下曼哈顿地区发生了停电事故。” ⁵⁶

把世界连成一片

“来自特洛伊的战报，通过一站站烽火台快速传给我。” ⁵⁷ 特洛伊城攻陷了，远在400千米之外的迈锡尼，那位与人通奸的王后在数小时之内就得到了消息——此时她正忙于为凯旋的夫王布设死亡的陷阱。一种类似的烟火系统，在另一个传说中也起到了至关重要的作用，说的是大约公元前 8 世纪中国西周朝代的灭亡。西周的最后一位君主，为了博得他的妃子嫣然一笑，下令点燃烽火，发出游牧民族入侵的虚假信号，折腾那些急急赶来营救的诸侯以取乐。可想而知，一旦入侵真的到来了，将会发生什么后果。这样的通信系统，费用之高让人望而生畏，只有政府和贵族才负担得起，但是平民百姓并非不渴望了解远方亲人的信息。在古代中国的诗词中，人们通过潮汐涨落和候鸟迁徙作比喻，来表达渴望信使到来的企盼心绪；将信函装在漂流瓶里，也有同样的象征意义。为了满足这种普天下人的共同需求，一旦电力作为动力加以利用，它就立即应用于电信学。 ⁵⁸

第一份横渡大西洋的电报信息，是一封有着 98 个单词的贺信，那是维多利亚女王（Queen Victoria）寄给美国总统布坎南（James Buchanan）的，传输花了 16.5小时。海底电缆首次开通于 1858年，在两个月之内发送了732份电报，后因故障而中断，部分是由于缺乏操作经验造成的。第一句电话通话——“华生先生，快来；帮帮忙”——在 1876 年由贝尔送出，完整无误地传到了邻近的房间，但是贝尔还必须等上39年，才能在第一条洲际电话线开通典礼上重复这句话。不过他未能活到1953 年，在第一条跨大西洋电话落成典礼上再次重复这句话。1901年，第一次穿越大西洋的无线电通信，全部内容只有一个字母“S”便结束了——由于一阵不期而遇的狂风吹倒了接收天线，只好用一只风筝来悬空吊起电线。包交换技术构成了因特网的基础，在1969年第一次由包交换技术连接的通信，比1901年幸运了两倍——在一台计算机瘫痪之前，接收到两个字母“LO” 。从电报到电话，到无线电，再到因特网，通信已经取得了巨大的进展，但是它的每一步也充满了问题，其解决方法充分证明了工程师的独创性和坚定性。

通信工程的一般任务，是提供从信源经由传输系统，向用户传送信息的工具，其中运用了电脉冲或电磁波技术。马可尼（Guglielmo Marconi），一个自学成才的年轻人，后来获得了诺贝尔物理学奖，在1896年申请到一种无线电报机设计专利，通过综合了科学、设计和商务领导能力的工程学，使这一技术得以广泛应用。10年以后，费森登（Reginald Fessenden）发明了一种技术，能为无线电话产生连续不断的电磁波。无线通信从根本上需要有全新的设备，其中包括振荡、检波、调幅、放大、调谐和滤波等装置。某些问题的存在，是和长途有线电话共有的。技术上的挑战激励了许多人。在他们的发明中有三极电子真空管，具有振荡、调幅和放大电磁波的功能。这种真空管放大器的问世，解决了超长距离电话音讯中继转播的问题，从而使1915年第一条洲际电话线路的开通成为可能。电子学的时代，诞生于电信学的发展过程之中。

长途通信大致可以分为两大类型：一是电视之类的无线电广播，二是电话之类的点对点通信。贝尔原先把电话设想为一种无线电广播装置，正如他在对现场讲演进行直播中所证实的。1906年的国际大会把无线电（radio）通信广义地定义为：无需导线而能在空间传播的通信。它率先用于点对点，尤其是海上航船双方之间的通信。1920年，当匹兹堡的KDKA电台 首次开始商用无线电广播时，人们就称它为“无线电话”。无线电广播的即时普及性开辟了大众通信的时代，而当 1936 年英国广播公司开始电视业务时，它获得了另一次大推进。在数十年中，广播业主宰了无线通信，并把无线电电话推向合适的市场，例如海外通话或者警务通话等。直至20世纪80年代，随着通信卫星和蜂窝网络技术的开发，促进了移动电话的应用，无绳化才重新跃起为点对点通信的一种流行方式。

在第二次世界大战前夕，当无线电庆祝它的第 40 个生日时，美国的通信工程在连接世界方面已经取得了很多举世瞩目的成就。电话线路排除了种种困难，接入了 40％的美国家庭。无线电携带着新闻飞越天空，进入的美国家庭几乎是安装电话家庭的两倍。这两方面的市场渗透率，都在稳步上升。在美国政府当时制定的法规下，美国电话电报公司垄断了美国的电话市场。随着贝尔电话实验室不断取得新进展，该公司成了通信技术的世界巨头。长途通信业踌躇满志，似乎可以心安理得地进入受人尊敬的“中年时代”了。

人类最伟大的成就终归就要来临，对此很少有人表示怀疑。在第二次世界大战期间，美国的雷达研制由位于麻省理工学院的辐射实验室领导，开发出了微波技术。后来的新技术“滚雪球”般地发展，终于在1982年使美国电话电报公司分解。原有的实验室变成电子学研究实验室，成为麻省理工学院第一个跨系所的实验室，其中汇集了数门学科，特别是物理学和电工学。从这些以及其他跨学科的合作中，形成了两大相关领域，成为信息技术的坚实基石：微电子学和电子计算机。电气工程师和其他学科的专家紧密配合，在微电子学领域同物理学家、材料科学家合作，而在计算机领域同数学家和软件工程师合作。不过，在这两大领域里，电气工程师仍然保持着中心地位，同电信学也联系密切。第二次世界大战之后，通信技术，连同工程学的其他分支一起，已经迈入一个新的历史阶段。 wjSaNcSwcTB2jc0Gmi5hTTgJcDycMBkVqFDxWtKmQmwQimaCHxWOX3mXi4pTVNSG