1.1　电气发展史

在电气学科蔚为壮观的发展史中，我们将追溯电力的发现与演变，从奥斯特、法拉第、爱迪生，到当今智能电网的创新。我们将探索电气学科的发展历程，跟随先贤的脚步，走进电气的世界。

1.1.1　电的发现与历史

我们在学习初中物理的时候，就知道摩擦会生电，用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，这正是人们认识电的过程。“电”似乎是一个非常现代的字眼，其实人类对电的观察和研究，早在古代就开始了。古希腊唯物主义哲学家泰勒斯说，当时织工们已观察到摩擦起电现象，用毛织物摩擦琥珀，就能吸引很轻很小的物体。我国唯物主义哲学家王充在《论衡》中，也有关于“顿牟掇芥”的记载（顿牟就是琥珀，掇芥即能吸引很轻很小的物体）。然而千百年来，电只不过是学者们好奇的神奇玩意儿，对这一现象的本质仍知之甚少。

直到17世纪，英国女王伊丽莎白一世的一名御医威廉·吉尔伯特对电和磁特别感兴趣，工作之余，他开始对电与磁的现象进行系统性研究，并撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁》。这是一本具有现代科学精神的书籍，着重于从实验结果论述。吉尔伯特指出，琥珀不是唯一可以经过摩擦产生静电的物质，钻石、蓝宝石、玻璃等也都可以演示出同样的电学性质，在这里，他成功地击破了琥珀的吸引力是其自身特性这一持续了2000年的错误观点，将电学和磁学现象区分开来。

18世纪是电学领域的关键时期，有一位著名的政治家、科学家、外交官诞生了，他就是本杰明·富兰克林。我们曾经在小学语文课本上了解过他的风筝实验，他证明了雷电与电的本质有关，并引入了正负电荷的概念，为后来的电学理论奠定了基础。

到了19世纪，法国科学家安德烈·玛丽·安培提出了安培定律，我们使用的电流的国际单位就是以他的名字命名的。他将自己的研究总结在《电动力学现象的数学理论》一书中，该书成为电磁学史上一部重要的经典论著。麦克斯韦称赞安培的工作是“科学上最光辉的成就之一”，还把安培誉为“电学中的牛顿”。同时期，英国科学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象，进而得到了产生交流电的方法。1821年，法拉第首次进行了一项实验：他将一根悬挂着的电线浸入放置了磁铁的水银池中，当电线通电时，电线开始绕着磁铁旋转。这项装置便是所有电动机的雏形。由于他在电磁学方面做出了伟大贡献，被称为“电学之父”和“交流电之父”。安培和法拉第所做的贡献为电气工程的后续发展奠定了基石。

19世纪中期，著名英国科学家詹姆·克拉克·麦克斯韦综合整理了电磁学的知识，提出了著名的麦克斯韦方程组，系统描述了电场和磁场的相互关系。物理学史上认为牛顿经典力学打开了机械时代的大门，而麦克斯韦电磁学理论则为电气时代奠定了基石。麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。

20世纪，随着发电机的发明和电力传输技术的改进，电力系统开始了建设。美国发明家托马斯·阿尔瓦·爱迪生和尼古拉·特斯拉等人的贡献推动了城市的电气化，改变了人们的生活方式。

1.1.2　现代电力系统的发展

说起电气类专业，就离不开电力系统。那么什么是电力系统？学电气又是研究什么的呢？

打个比方，电力系统就像是一座庞大的能源高速公路网络，主要包含发电、输电、变电、配电、用电、调度等环节。发电是通过各种能源转换设备将能源转化为电能；输电是将电能从发电厂输送到远处的负荷中心；变电是通过一定设备将电压由低等级转变为高等级（升压）或由高等级转变为低等级（降压），升压是为了远距离输电时减小损耗，降压是为了满足电力用户的安全需要；配电是将输电网的电能与用户相连并向用户分配电能；用电是指电能在各种负荷设备中的实际应用；调度是对整个电力系统进行实时监控和控制，确保系统的稳定运行。我们电气从业者就是这个庞大网络中各个环节的建设者和管理者，我们的职责就是确保电力网络的稳定运行。因此，现代电力系统的发展关系着电力的生产、传输和分配，是电气工程领域的一个关键方面。

1. 直流电力系统

最早的电力系统采用直流传输。直流电力系统的发展经历了多个关键阶段，从早期的实验性系统发展到如今的现代高压直流输电技术。

前面提到科学家本杰明·富兰克林引入了正负电荷的概念，在此基础上定义方向不变的电流为直流电，方向随时间作周期性变化的电流为交流电。直流电的实验始于18世纪末，但其实际应用起步较晚。早期的实验主要集中在电池、导线和电荷的研究上，为直流电系统的建立提供了基础。

直流电系统的关键是发电机的发明。法拉第和其他科学家在19世纪中期开发了早期的直流发电机，这些发电机使用机械力转动导体来产生直流电。直流电力系统就是将发电机产生的直流电通过导线传输到用户端进行使用的。

爱迪生创立的爱迪生电灯公司于1882年在纽约建立了世界上第一个商业化直流发电厂，用于为纽约市提供电力，这就是早期的直流电力系统。他的发电机和输电系统标志着直流电的商业化运用，但面临着输电距离有限和能量损失较大的问题，电力系统的规模和覆盖范围受限。

2. 交流电力系统

19世纪末，特斯拉在交流电的研究方面取得了重要突破，他设计了交流变压器，能够有效地改变电压水平，使电能得以在不同电压条件下传输。这项技术为交流电的广泛应用奠定了基础。

19世纪末至20世纪初，交流电与直流电之间进行了一场激烈的竞争，被称为“电力战争”。在特斯拉和乔治·威斯汀豪等科学家的努力下，交流输电系统逐步完善，由于交流电能够通过变压器进行高效输电，并在远距离传输中更具优势，最终交流电胜出，成为主要的电力系统。特斯拉在取得直、交流电之争的胜利后，拥有了交流电的专利权，创造了一项杰出的世纪工程——世界上第一座装机容量达3.7万千瓦的尼亚加拉水力发电站。这是世界上第一个大规模的交流电发电厂，该发电厂利用瀑布的水能产生交流电，通过长距离输电线路将电能传输到布法罗市，标志着交流电力系统在大规模应用上的成功。

20世纪初，交流电的应用逐渐普及到全球范围。电力系统的建设成为国家和城市基础设施的一部分，为工业、商业和家庭提供了可靠的电力供应。

交流电力系统的兴起是电力领域发展的一个重要标志，为电能的高效传输和广泛应用奠定了基础，这一技术的成功应用推动了电气工程的进步，并为社会的工业化和现代化提供了强大的动力。

3. 高压输电技术

在电能传输过程中，能量损失是一个重要的考虑因素，通过传统的低压输电系统，电能的损失会随着输电距离的增加而增大。因此，随着电力需求的增长，为了有效地将电能从发电站传输到远处的城市或工业区，研究人员开始探索提高输电电压的可能性。

高压输电线路通常采用大直径的导线和高架结构，如输电塔。这有助于降低电阻和电感的影响，提高线路的导电性能。另外，高架结构也能减小线路与地面的电容耦合，减少能量损失。

高压输电有两种主要的技术，即直流输电（high voltage direct current，HVDC）和交流输电（high voltage alternating current，HVAC）。HVDC技术通过将交流电转换为直流电，然后在传输过程中再次将其转换为交流电，实现了长距离高效传输。HVDC系统适用于超长距离或跨越海底的电能传输。它可以减小输电线路的电阻和电感损失，提高输电效率。交流输电技术仍然是最常用的高压输电方式。在长距离的输电过程中，通过使用高压和超高压（如500千伏、800千伏、1 000千伏）的输电线路，可以降低电流的强度、减小电阻损失、提高电能的传输效率。

超高压输电是高压输电技术的最新发展，采用更高的电压水平，如1 100千伏以上，可以进一步减小电流，极大地降低电阻损失，使能量传输更加高效。超高压输电通常用于连接远距离的大型电网，以实现不同地区的电能交换。

此外，高压输电线路中存在电流损失和绝缘问题。电流损失可以通过增加电压和减小电流来减少；而对于绝缘问题，则需要使用绝缘材料和技术来确保输电线路的安全运行。

总体而言，高压输电技术通过提高输电线路电压水平，有效减小了电流，降低了电阻损耗，实现了远距离电能传输的高效性。这对于连接不同地区的电网、支持可再生能源的集中式发电以及满足大型城市和工业区的电力需求至关重要。

4. 自动化和数字技术

进入新世纪后，随着计算机技术的发展，电力系统逐渐引入自动化和数字化技术。数字化监控系统、远程操作和智能电网等技术使电力系统更加可靠、灵活，并具有更强的响应性。智能电网的概念则涉及实时监测、控制和优化电力系统的各个环节。

此外，随着对可持续能源的需求增加，现代电力系统逐渐整合了大量可再生能源，如太阳能和风能。这涉及电力系统的调度和储能技术的发展，以平衡可再生能源的间歇性特性。

现代电力系统的发展经历了从直流到交流、从传统输电到数字化、自动化的演变。这一过程使电力系统更加高效、可靠，并为未来可持续能源的大规模集成提供了技术支持。

1.1.3　电气学科的发展

电气学科是以电子学、电磁学等物理学分支为基础，涵盖电子计算机、电力工程、电子信息、控制工程、信号处理、机械电子等子领域的一门工程学。19世纪后半期以来，随着电报、电话、电能在供应与使用方面的商业化，该学科逐渐发展为相对独立的专业领域。

电气学科广义上涵盖该领域的所有分支，但通常来说，“电气工程”一词侧重涉及大能量的电力系统（如电能传输、重型电机机械及电动机），而“电子工程”则是指处理小信号的电子系统（如计算机和集成电路）。另一种区分法为，电气工程着重于电能的传输，而电子工程则着重于利用电子信号进行信息的传输。这些子领域的范围有时也会重叠：例如，电力电子学使用电力电子器件对电能进行变换和控制；又如，通过收集电网的电能供应数据与一般家庭用户的电能使用状况，并据此调整家用电器的耗电量，以此达到节约能源、降低损耗、提高输电网络可靠性的目的。因此，电气工程亦涵盖电子工程部分领域的专业知识。

电气工程曾被笼统地归类为物理学的一个分支领域，直到1882年，德国的达姆施塔特工业大学设立世界上第一个电气工程教授席位。同年，麻省理工学院物理系开始推出电气工程方向的学士学位课程。1883年，达姆施塔特工业大学建立电机系，成为全世界最先创建电机系的大学。1885年，康奈尔大学成为美国最先建立电机系的大学。1885年，伦敦大学学院创立了英国首个“电机技术系”，几年后改名为电气工程系。1886年，密苏里大学也建立了电气工程系，据一些文献所述，密苏里大学是最先建立电气工程系的美国大学。很快，包括佐治亚理工学院在内的许多大学纷纷效仿，设立了电气工程系。

在我国，1908年，邮传部上海高等实业学堂（上海交通大学、西安交通大学的前身）的校长唐文治先生创办了中国第一个电机科专业，学制3年，开了我国电气工程高等教育之先河。

1912年，同济医工学堂（现同济大学）设立电机科；1920年，公立工业专门学校（现浙江大学）设立电机科；1923年，中央大学（现东南大学）设立电机工程系；1932年，清华大学设立电机工程系，是清华大学最早成立的3个工科系之一；1933年，北洋大学（现天津大学）设立电机工程系。1952年后，我国进行大规模的院系调整，出现了一大批以工科为主的多科性大学，也出现了一批机电学院，这些学院基本上都设置了电机工程系或电力工程系。1977年恢复高考后，大部分学校的“电机工程系”或“电力工程系”陆续更名为“电气工程系”，20世纪90年代后，又陆续改称“电气工程学院”。1986年，国务院批准“电力系统及其自动化”为博士学位授权学科。1989年，清华大学率先将原电力系统自动化、高电压技术、电机3个专业合并为宽口径的“电气工程及其自动化”专业。1998年，教育部颁布了《普通高等学校本科专业目录（1998年颁布）》，将电工类和电子与信息类合并为电气信息类，原来的19个专业合并为7个。其中，原电工类的电机电器及其控制、电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术、电气技术专业合并为电气工程及其自动化专业，专业口径大大拓宽。2012年，教育部颁布的《普通高等学校本科专业目录（2012年）》中，原电气工程及其自动化专业和电气工程与自动化、电气信息工程、电力工程与管理、电气技术教育、电机电器智能化特设专业合并为电气工程及其自动化专业，属于工学门类的电气类专业。之后，随着科技的进步和经济社会发展的需求，电气类专业不断扩充，逐渐增设了智能电网信息工程、光源与照明、电气工程与智能控制等专业。截至2024年3月，教育部颁布的《普通高等学校本科专业目录（2024年）》中，电气类专业已开设10个。