电路理论及相关科学技术的发展简史
电路理论是当代电气工程与电子科学技术的重要理论基础之一。电路理论与电磁学、电子科学与技术、通信、电气工程、自动控制、计算机科学技术等学科相互促进、相互影响。经历了一个多世纪的漫长道路以后,电路理论已经发展成一门体系完整、逻辑严密、具有强大生命力的学科领域。
人类对电磁现象的认识始于对静电、静磁现象的观察。
导体和绝缘体的提出
1729年,英国人S.格雷将材料分为两类——导体和绝缘体。
正电荷和负电荷概念的提出
1749年,美国科学家富兰克林提出了正电荷和负电荷的概念。
库仑定律
1785——1789年,法国人库仑定量地研究了两个带电体间的相互作用,得出了历史上最早的静电学定律——库仑定律。
库仑定律(Coulomb's law)是静止点电荷相互作用力的规律。1785年法国科学家C,-A.de库伦由实验得出,真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力同它们的电荷量的乘积成正比,与它们的距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上,同名电荷相斥,异名电荷相吸。这是人类在电磁现象认识上的一次飞跃。
伏打电池
19世纪以前,电与磁的应用尚属凤毛麟角。1800年,意大利物理学家伏特发明了伏打电池,它能够把化学能不断地转变为电能,维持单一方向的持续电流。这一发明具有划时代的意义,它为人们深入研究电化学、电磁学以及它们的应用打下了物质基础。以后很快发现了电流的化学效应、热效应以及利用电来照明等。
电流的磁效应
1820年,丹麦物理学家奥斯特通过实验发现了电流的磁效应,在电与磁之间架起了一座桥梁,打开了近代电磁学的突破口。
安培环路定理
1825年,法国科学家安培提出了著名的安培环路定理(在稳恒磁场中,磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分,等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率。安培环路定理可以由毕奥-萨伐尔定律导出。它反映了稳恒磁场的磁感应线和载流导线相互套连的性质)。他从1820年开始在测量电流的磁效应中,发现了两个载流导线可以互相吸引,又可以互相排斥。这一发现成为研究电学的基本定律,为电动机的发明做了理论上的基础。
欧姆定律
1826年,德国人欧姆在多年实验基础上,提出了著名的欧姆定律:在恒定温度下,导线回路中的电流等于回路中的电动势与电阻值比。欧姆又将这一定律推广于任意一段导线上,并得出导线中的电流等于这一段导线上的电压与电阻之比。
电磁感应现象
1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象。当他继续奥斯特的实验时,他坚信既然电能产生磁,那么磁也能产生电。他终于发现在磁场中运动的导体会产生感生电动势,并能在闭合导体回路中产生电流。这一发现成为发电机和变压器的基本原理,从而使机械能变为电能成为可能。
楞次定律
1834年俄国人楞次提出感应电流方向的定律,即著名的楞次定律。
电报
1838年,画家出身的美国人莫尔斯发明了电报。1844年,他用电报机从华盛顿向40英里外的巴尔的摩发出电文。
电路的两个基本定律——基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律
1845年,德国科学家基尔霍夫在深入研究了欧姆的工作成果之后,提出了电路的两个基本定律——基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)。它是集总参数电路(其特点是电路中任意两个端点间的电压和流入任一器件端钮的电流完全确定,与器件的几何尺寸和空间位置无关。与其对应的是分布参数电路)中电压、电流必须服从的规律。
电震荡的频率
1853年,汤姆逊采用电阻、电感和电容的电路模型,分析了莱顿瓶的放电过程,得出电震荡的频率。
等效发电机定理
1853年,亥姆霍兹提出电路中的等效发电机定理(戴维南定理和诺顿定理是最常用的电路简化方法。由于戴维南定理和诺顿定理都是将有源二端网络等效为电源支路,所以统称为等效电源定理或等效发电机定理)。由于国际通信需求的增加,1850——1855年,欧洲建成了英国、法国、意大利、土耳其之间的海底电报电缆。电报信号经过远距离的电缆传送,产生了信号的衰减、延迟、失真等现象。1854年汤姆逊发表了电缆传输理论,分析了这些现象。1857年基尔霍夫考虑到架空传输线与电缆不同,得出了包括自感系数在内的完整的传输线上电压及电流方程式,称之为电报员方程或基尔霍夫方程。至此,包括传输线在内的电路理论就基本建立起来了。
麦克斯韦方程组
1864年英国物理学家麦克斯韦总结了当时所发现的种种电磁现象的规律,将它表达为麦克斯韦方程组,预言了电磁波的存在,为电路理论奠定了坚实的基础。1887年,德国物理学家赫兹经过艰苦的反复实验,证明麦克斯韦所预言的电磁波确实存在。
电动机原理
1866年,德国工程师西门子发现了电动机原理并用在了发电机的改进上。由于点在各方面的应用日益广泛,如照明、电解、电镀、电力拖动等,迫切需要更方便地获取电能,以提高效率、降低成本。1881年,直流高压输电试验成功。但由于直流高压不便于用户直接使用,同年在发明变压器的基础上又实现了远距离交流高压传输。从此,电气化时代开始了。
电话
1876年,美国科学家贝尔发明了电话。当时电报已经很发达,贝尔在多路电报通信实验中,萌发了在电报线上通话的设想。在T.A.沃森的协助下,经过不懈的努力终于试验成功。经过不断改进,到1878年,他实现了从波士顿到纽约之间200英里的首次长途通话。
碳丝灯泡
1879年,美国人爱迪生发明了碳丝灯泡。
钨丝灯泡
1912年美国人W.D.库利奇发明了钨丝灯泡,成为最普及的照明用具。电灯的广泛使用,是电能应用的一次大普及,并改变了人们的生活。
无线电
1894年,意大利人马可尼和俄国的波波夫分别发明了无线电。没有受过正规大学教育的20岁的马可尼利用赫兹的火花振荡器作为发射器,通过电键的开、闭产生断续的电磁波信号。1895年,他发射的信号传送距离为1km以上,1897年发射的信号可在20km之外接收到,从此开始了无线电通信的时代。
电视
1825年英国人贝尔德首先发明电视。几乎在同时,美国无线电公司的工程师兹沃雷金发明了电视显像管。1933年,他利用真空二极管、真空三极管和显像管,最早发明了电视机。1936年,黑白电视机正式问世了。
近代电路理论的主要特点之一是吉尔曼将图论引入电路理论之中。它为应用计算机进行电路分析和集成电路布线与板图设计等研究提供了有力的工具。特点之二是出现大量新的电路元件、有源器件,如使用低电压的MOS电路,摒弃电感元件的电路,进一步摒弃电阻的开关电容电路等。当前,有源电路的综合设计正在迅速发展之中。特点之三是在电路分析和设计中应用计算机后,使得对电路的优化设计和故障诊断成为可能,大大提高了电子产品的质量并降低了成本。