电路理论及相关科学技术发展简史

电路理论是当代电气工程和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、计算机科学与技术相互促进、相互影响。电路理论经过一个多世纪的漫长历程,已经发展成为一个体系完整、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和静磁现象的观察。

1729年,英国人s·格雷把材料分为两类——导体和绝缘体。

1749年,美国科学家富兰克林提出了正电荷和负电荷的概念。

1785年到1789年,法国人库仑定量研究了两个带电体之间的相互作用,得出了历史上最早的静电定律——库仑定律。

库仑定律是静止点电荷间相互作用的定律。1785年,法国科学家C,-A.de Coulomb通过实验得出,真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与它们电荷的乘积成正比,与它们距离的平方成反比。相互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。这是人类对电磁现象认识的一次飞跃。

19世纪以前,电和磁的应用还很少。1800年,意大利物理学家伏打发明了伏打电池(Volta battery),它可以不断地将化学能转化为电能,并保持单一方向的连续电流。这一发明具有划时代的意义,为人们深入研究电化学、电磁学及其应用奠定了物质基础。后来,电流的化学效应和热效应以及用电照明很快被发现。

1820年,丹麦物理学家奥斯特通过实验发现了电流的磁效应,在电和磁之间架起了一座桥梁,开启了现代电磁学的突破。

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沿任意闭合路径的直线积分,等于这个闭合路径所包围的电流的代数和乘以磁导率。安培环路定理可以从毕奥-萨伐尔定律推导出来。它反映了稳恒磁场的磁感应线和载流导线相互连接的性质。从1820开始,他发现两根载流导线可以互相吸引,互相排斥。这一发现成为研究电的基本规律,为电动机的发明奠定了理论基础。

1826年,德国欧姆在多年实验的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电动势与电阻值之比。欧姆把这个定律推广到任意长度的导线,得出导线中的电流等于这段导线中的电压与电阻之比。

1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象。他在继续奥斯特的实验时,坚信既然电产生磁,磁也能产生电。他终于发现,导体在磁场中运动可以产生感应电动势,在闭合的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,从而使机械能转化为电能成为可能。

1834年,俄国人冷慈提出了感应电流方向定律,也就是著名的楞次定律。

1838年,美国画家莫尔斯发明了电报。1844年,他从华盛顿向40英里外的巴尔的摩发了一封电报。

1845年,德国科学家基尔霍夫在深入研究欧姆的工作成果后,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)。它是一个集总参数电路(特点是电路中任意两个端子之间的电压和流入任意器件端子按钮的电流是完全确定的,与器件的几何尺寸和空间位置无关。与之相对应的是分布参数电路中电压和电流必须遵守的规律。

在1853中,汤姆逊用电阻、电感、电容的电路模型分析了莱顿瓶的放电过程,得出了电击的频率。

1853年,亥姆霍兹提出了电路中的等效发生器定理(戴维宁定理和诺顿定理是简化电路最常用的方法。因为戴维宁定理和诺顿定理都把有源二端网络等同于供电支路,所以统称为等效源定理(或等效发生器定理)。由于国际通信需求的增加,从1850到1855在欧洲修建了英国、法国、意大利和土耳其之间的海底电报电缆。电报信号通过长距离电缆传输,导致信号衰减、延迟和失真。1854年,汤姆逊发表了电缆传输理论,分析了这些现象。1857年,考虑到架空输电线路和电缆的不同,基尔霍夫得到了一个完整的输电线路上的电压电流方程,其中包括自感系数,被称为电报算子方程或基尔霍夫方程。至此,包括传输线在内的电路理论基本成立。

1864年,英国物理学家麦克斯韦总结了当时发现的电磁现象的规律,表示为麦克斯韦方程组,预言了电磁波的存在,奠定了电路理论的坚实基础。1887年,德国物理学家赫兹经过艰苦的反复实验,证明了麦克斯韦预言的电磁波确实存在。

1866年,德国工程师西门子发现了电动机的原理,并应用于发电机的改进。由于点在照明、电解、电镀、电力牵引等各个领域的应用越来越多。为了提高效率和降低成本,迫切需要更方便地获得电能。1881年,高压直流输电试验成功。但由于DC高压不方便用户直接使用,在同年变压器发明的基础上实现了远距离交流高压输电。从此,电气化时代开始了。

1876年,美国科学家贝尔发明了电话。当时的电报非常发达,贝尔在多路电报通信的实验中产生了在电报线上通话的想法。在T.A .沃森的帮助下,经过不懈的努力,实验终于成功了。经过不断改进,到1878,他实现了从波士顿到纽约200英里的第一次长途通话。

1879年,美国人爱迪生发明了碳丝灯泡。

1912美国人W.D .柯立芝发明了钨丝灯泡,成为最受欢迎的照明器具。电灯的广泛使用是电能应用的一大普及,改变了人们的生活。

1894年,意大利人马可尼和俄国人波波夫分别发明了无线电。20岁的马可尼没有受过正规的大学教育,他使用一个赫兹火花振荡器作为发射器,通过电钥匙的开关产生间歇性的电磁波信号。1895年,他的信号传输距离超过1km,1897年传输的信号在20km的距离就能收到,从此开始了无线电通信的时代。

1825英国贝尔德首先发明了电视。几乎与此同时,美国无线电公司的工程师兹沃瑞金发明了电视显像管。1933年,他首先用真空二极管、真空三极管和显像管发明了电视机。1936年,黑白电视机正式问世。

现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。它为计算机应用于电路分析、集成电路布线和板图设计的研究提供了有力的工具。第二个特点是大量新的电路元件和有源器件的出现,如使用低压MOS电路,放弃电感电路,进一步放弃电阻开关电容电路。目前,有源电路的综合设计发展迅速。第三个特点是计算机在电路分析和设计中的应用,使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,降低了成本。