電氣工程在我國社會發(fā)展與科技進步中的作用.doc

電氣工程在我國社會發(fā)展與科技進步中的作用 孫菲 華東理工大學信息科學與工程學院【前言】電力是發(fā)展生產(chǎn)和提高人類生活水平的重要物質(zhì)基礎，電力的應用在不斷深化和發(fā)展，電氣自動化是國民 經(jīng)濟和人民生活現(xiàn)代化的重要標志。本文首先介紹一下關于電氣工程的主要內(nèi)容、主要發(fā)展歷程、影響因素及其發(fā)展前景，其次介紹一下電氣工程對我國社會發(fā)展與科技進步的重要作用。最后，從對電氣工程交叉學科的研究談一下電氣工程未來研究熱點問題?！娟P鍵字】電氣工程；發(fā)展歷程；影響因素；發(fā)展前景；戰(zhàn)略地位一、電氣工程簡介 電氣工程（Electrical Engineering簡稱EE）是現(xiàn)代科技領域中的核心學科之一，更是當今高新技術領域中不可或缺的關鍵學科。例如正是電子技術的巨大進步才推動了以計算機網(wǎng)絡為基礎的信息時代的到來，并將改變?nèi)祟惖纳罟ぷ髂Ｊ健?電氣工程是以電氣科學為理論基礎，與電能生產(chǎn)與應用相關的技術。其涉及的范圍十分廣泛，研究的內(nèi)容十分豐富，滲透到社會生活與社會發(fā)展的各個領域。它的發(fā)展又產(chǎn)生了電子技術，孕育出了計算機、通信、網(wǎng)絡等工程，這些新的工程與電氣工程相互交叉促進，取得了突飛猛進的發(fā)展。以上這些都決定了電氣工程在國民經(jīng)濟中的重要地位。 電氣工程專業(yè)是一個寬口徑的專業(yè)，在國民經(jīng)濟的各個職能部門中都有需求。電氣工程師需要掌握包括電工理論、電子技術、自動化控制、計算機及控制等在內(nèi)的工程技術知識和專業(yè)知識，以適應不同的市場需求從某種意義上講，電氣工程的發(fā)達程度代表著國家的科技進步水平。正因為此，電氣工程的教育和科研一直在發(fā)達國家大學中占據(jù)十分重要的地位。 美國大學電氣工程學科在機構名稱上有的學校稱電氣工程系，有的稱為電氣工程與信息科學系，有的稱為電氣工程與計算機科學系等等。該學科（系）在科研、教學及學術組織形式上與國內(nèi)電氣工程學科有較大不同。了解國外學科狀態(tài)及教學、科研方向，對調(diào)整我們的學科方向、提高教學、科研水平具有十分重要的作用。 傳統(tǒng)的電氣工程定義為用于創(chuàng)造產(chǎn)生電氣與電子系統(tǒng)的有關學科的總和。此定義本已經(jīng)十分寬泛，但隨著科學技術的飛速發(fā)展，21世紀的電氣工程概念已經(jīng)遠遠超出上述定義的范疇，斯坦福大學教授指出：今天的電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關的工程行為。本領域知識寬度的巨大增長，要求我們重新檢查甚至重新構造電氣工程的學科方向、課程設置及其內(nèi)容，以便使電氣工程學科能有效地回應學生的需求、社會的需求、科技的進步和動態(tài)的科研環(huán)境。二、電氣工程的主要發(fā)展歷程 從工程技術領域看，電是一種優(yōu)質(zhì)的能源形式和重要的信息載體。其顯著特點在于易于變換、傳輸和控制。 1820年，安培(A.M.Ampere)發(fā)現(xiàn)了電磁效應。 1831年，法拉第(M.Faraday)發(fā)現(xiàn)電磁感應原理。奠定了電磁學基礎。法拉第發(fā)明的第一臺發(fā)電機是法拉第盤，雖然給城鎮(zhèn)和工廠供電的現(xiàn)代發(fā)電機比法拉第發(fā)明的發(fā)電機要復雜得多，但是它們同樣都是根據(jù)電磁感應原理設計的。 19世紀60年代，麥克斯韋(J.C.Maxwell)建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁場理論和光的電磁理論，預言了電磁波的存在。1873年，麥克斯韋完成了他的巨著電磁學通論，奠定了廣泛應用電磁技術的理論基礎。1832年，法國科學家匹克斯發(fā)明了世界上第一臺直流發(fā)電機。1866年，德國科學家西門子制成了第一臺自勵式發(fā)電機。1885年，意大利物理學家加利萊奧費拉里斯提出了旋轉(zhuǎn)磁場原理，并研制出了二相異步電動機。1888年，俄國工程師多利沃-多勃羅沃利斯基研制成功第一臺實用的三相交流異步電動機，并逐漸得到普遍的應用。交流電機的研制和發(fā)展，特別是三相交流電機的研制成功為遠距離輸電創(chuàng)造了條件，同時把電工技術提高到了一個新的階段。 19世紀末期，由于電機制造技術的發(fā)展和實用變壓器的出現(xiàn)，發(fā)電和輸電事業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。1883年在美國紐約建成了商業(yè)化的電廠、直流電力網(wǎng)系統(tǒng)和中心發(fā)電廠、水力發(fā)電站和火力發(fā)電站。當時發(fā)電廠、發(fā)電站最初都是從直流發(fā)電開始的。但直流發(fā)電廠的供電范圍有限，擴大供電范圍，直流電廠已不能勝任，于是代之而起的是交流發(fā)電站的建立。1892年，法國建成了第一座三相交流發(fā)電站，把交流發(fā)電站的發(fā)展向前推進了一步。由于交流輸電的發(fā)展和成功，電力的作用已不僅僅是用于照明，而開始成為新興工業(yè)的動力和能源。電力的應用和輸電技術的發(fā)展，促使一大批新的工業(yè)部門相繼產(chǎn)生。三、發(fā)展前景 就目前國際水平而言，在今后相當長的時期內(nèi)，電力的需求將不斷增長，社會對電氣工程及其自動化科技工作者的需求量呈上升態(tài)勢。 電氣自動化用于工業(yè)控制系統(tǒng)，例如一條設備怎樣運行才能保證它能正常生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，現(xiàn)代工業(yè)不是全人工，靠人來操作，卻是由機器來制作，啟動機器，就會自己運行下去，機器之所以能自動運行，就是電氣自動化，所謂電氣自動化，就是利用繼電器、感應器等電氣元件實現(xiàn)順序控制、時間控制的過程。其他如一些儀表或伺服電機，能根據(jù)外界環(huán)境的變化反饋到內(nèi)部，從而改變輸出量，達到穩(wěn)定的目的。電氣工程的發(fā)展趨勢電氣工程的發(fā)展趨勢電氣工程的發(fā)展趨勢電氣工程的發(fā)展趨勢 中國特色新型工業(yè)化發(fā)展中，不少行業(yè)將進行優(yōu)化和調(diào)整，新興產(chǎn)業(yè)則將會得到大力培育和發(fā)展。這些行業(yè)需要大量與之相適應的專業(yè)人才。我們建議考生在了解和選擇專業(yè)時，應有更為長遠的眼光，只有將自身的發(fā)展和國家的發(fā)展結(jié)合起來，才能獲得更大的進步。在中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃的建議中，著重提出了將發(fā)展新能源，加強現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)。據(jù)國家能源局規(guī)劃發(fā)展司司長江冰介紹，未來5年，能源領域的重點任務中就有要加快推進水電和核電的開發(fā)建設，積極做好風能、太陽能、生物能等可再生能源的轉(zhuǎn)化利用，大力推進能源結(jié)構優(yōu)化調(diào)整的內(nèi)容。四、影響因素 今后若干年內(nèi)對電氣工程發(fā)展影響最大的主要因素包括： 1、信息技術的決定性影響。信息技術廣泛地定義為包括計算機、世界范圍高速寬帶 計算機網(wǎng)絡及通訊系統(tǒng)，以及用來傳感、處理、存儲和顯示各種信息等相關支持技術的綜合。信息技術對電氣工程的發(fā)展具有特別大的支配性影響。信息技術持續(xù)以指數(shù)速度增長在很大程度上取決于電氣工程中眾多學科領域的持續(xù)技術創(chuàng)新。反過來，信息技術的進步又為電氣工程領域的技術創(chuàng)新提供了更新更先進的工具基礎。 2、與物理科學的相互交叉面拓寬。由于三極管的發(fā)明和大規(guī)模集成電路制造技術的發(fā)展，固體電子學在20世紀的后50年對電氣工程的成長起到了巨大的推動作用。電氣工程與物理科學間的緊密聯(lián)系與交叉仍然是今后電氣工程學科的關鍵，并且將拓寬到生物系統(tǒng)、光子學、微機電系統(tǒng)（MEMS）。21世紀中的某些最重要的新裝置、新系統(tǒng)和新技術將來自上述領域。 3、相關技術與方法的快速變化。技術的飛速進步和分析方法、設計方法的日新月異，這對電氣工程領域的科技工作者而言，必須不斷學習新的設計方法和新的技術手段。4、電力電子技術的快速發(fā)展。電力電子技術包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發(fā)展，電力電子技術和現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關，已逐步發(fā)展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術學科。 五、電氣工程（學科）的戰(zhàn)略地位 電力工業(yè)是國民經(jīng)濟中重要的基礎產(chǎn)業(yè)之一，電能是最清潔的能源，電是能量轉(zhuǎn)換的樞紐和信息的載體，也是最便于遠距離傳輸、分配和控制，最易于實現(xiàn)與其他能量相互轉(zhuǎn)換，最便于進行能量時空分布變換的一種能量。所以電能已經(jīng)成為人類現(xiàn)代社會最主要的能源形式。電力的作用已不僅僅是用于照明，而開始成為新興工業(yè)的動力和能源。電力的應用和輸電技術的發(fā)展，促使一大批新的工業(yè)部門相繼產(chǎn)生。首先是與電力生產(chǎn)有關的行業(yè)，如電機、變壓器、絕緣材料、線路器材等電力設備的制造、安裝、維修和運行等生產(chǎn)部門；其次是以電作為動力和能源的行業(yè)，如照明、電鍍、電解、電車、電梯等工業(yè)交通部門；另外還有各種與生產(chǎn)、生活有關的新的電器生產(chǎn)部門也相繼出現(xiàn)了。這種發(fā)展的結(jié)果，又反過來促進了發(fā)電和高壓輸電技術的提高。當代高新技術都與電能密切相關，并依賴于電能。電能是計算機、機器人的能源；電能為先進的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程和大范圍的金融流通提供了保證；電能使當代先進的通信技術成為現(xiàn)實；電能使現(xiàn)代化運輸手段得以實現(xiàn)。 在現(xiàn)代人類生產(chǎn)、生活和科研活動中一刻也離不開電。許多情況是先將初始能量轉(zhuǎn)換成電能，然后再轉(zhuǎn)換成所需要的其他能量形式，電已經(jīng)成為能量轉(zhuǎn)換的樞紐。例如，在工農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防等部門和生活設施中，極為廣泛地應用各種電動機來驅(qū)動生產(chǎn)機械、設備和裝置，如機床驅(qū)動、電力機車牽引、電動汽車、農(nóng)田排灌、農(nóng)副產(chǎn)品加工、礦山采掘、金屬冶煉、石油開采、造紙卷筒、電梯升降、醫(yī)療化工設備及辦公家用設備的運行等一般都需要由電動機來拖動。不僅如此，信息的處理和傳輸也要依靠電，計算機、通信網(wǎng)和無線電等無不以電作為信息的載體?，F(xiàn)代高科技的發(fā)展也離不開電，從探索物質(zhì)粒子的加速度到發(fā)射宇宙飛船和衛(wèi)星，從研究微型電機、機器人到可作為未來能源技術的受控核聚變裝置，都需要電氣科學與技術的支撐。電氣工程學科專業(yè)主要研究電能的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、控制、儲存和利用。電磁理論是電氣工程的理論基礎，而電磁理論是從物理學中的電學和磁學逐步發(fā)展而成的。人類社會發(fā)展到任何時候也離不開能源，能源是人類永恒的研究對象，電能是利用最為方便的能源形式。其中電信息的檢測、處理、控制等技術在電能從產(chǎn)生到利用的各個環(huán)節(jié)中都起著越來越重要的作用。 六、電氣工程交叉學科研究與其未來研究熱點 電氣工程學科是一門歷史悠久的學科，早在第二次工業(yè)革命時期，英、法、美等許多國家就已經(jīng)開設了這一學科；我國電氣工程學科也已經(jīng)有了近百年的歷史。電氣工程學科是一門涉及范圍很廣，與其他學科聯(lián)系較為密切的學科，其中電子信息、通信工程等許多學科都是由電氣工程學科派生出來的。電氣工程學科與其他學科相互交叉，相互融合，相互促進，現(xiàn)已形成了相對獨立的電機與電器、電力系統(tǒng)及其自動化、高電壓與絕緣技術、電力電子與電力傳動、電工理論與新技術5門分學科。 電氣工程正進一步從廣度和深度上向前發(fā)展，客觀世界也在不斷提出新的挑戰(zhàn)。 例如：到處存在的工頻電磁場對人體機能影響的研究；太陽活動周期所引起的地磁暴對電力設施的破壞作用；新型柔性輸電技術和電動汽車技術所提出的多學科協(xié)同研究的新需要；人類從總體上對能源和環(huán)境的宏觀評估，向更有效地利用太陽能、風能、水能等可再生能源方向發(fā)展而提出的新技術要求；CDM項目、電力驅(qū)動、電氣節(jié)能和儲能技術的新發(fā)展等。 電氣工程學科專業(yè)是一個基礎性強、派生能力活的專業(yè)。電氣工程和生命科學的交叉已經(jīng)產(chǎn)生了生物醫(yī)學工程專業(yè)，對生命中電磁現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了一門生物電磁學。電氣工程和材料科學的交叉形成了超導電工技術和納米電工技術。電氣工程和電子科學以及控制科學的交叉產(chǎn)生了電力電子技術。電力電子技術不但給電氣工程的發(fā)展帶來了極大的活力，同時電力電子技術也成為電氣工程的重要分支。 以應用性基礎研究為主的電氣工程學科，將在與信息科學、材料科學、生命科學以及環(huán)境科學等學科的交叉和融合中獲得進一步發(fā)展。超導材料、半導體材料與永磁材料的最新發(fā)展對于電氣工程領域有著特別重大的意義。21世紀電氣工程學科的發(fā)展趨勢是：電氣工程學科將與工程和近代數(shù)學、物理學、化學、生命科學、材料科學以及系統(tǒng)科學、信息科學的前沿技術相融合，加強從整體上對大型復雜系統(tǒng)的研究，加深對微觀現(xiàn)象及過程規(guī)律性的認識，同時利用信息科學的成就提升本學科并開創(chuàng)新的研究方向。 電氣工程學科將在電能高效安全轉(zhuǎn)換傳輸及集約利用、工程電介質(zhì)與高電壓技術、脈沖功率與放電等離子體、電磁場理論與生物電磁學等幾個優(yōu)先技術領域，重點在以下幾個方面開展更進一步的研究工作。(1) 電力大系統(tǒng)、電力傳動及電力電子變流系統(tǒng)中的非線性、復雜性問題；(2) 生物、醫(yī)學與健康領域中的電磁方法與新技術；(3) 氣體放電及多相混合體放電問題；(4) 基于新材料、新原理開拓新應用領域的電機、電器； (5) 反映各類電氣設備電氣或絕緣性能演變的多因子規(guī)律及其觀察和測量技術；(6) 電能質(zhì)量的理論及其測量、控制；(7) 可再生能源發(fā)電、電能存儲和電力