電學發展史

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1．公元前的琥珀和磁石

希臘七賢中有一位名叫泰勒斯的哲學家。公元前600年前後，泰勒斯看到當明的希臘人通過摩擦琥珀吸引羽毛，用磁錢礦石吸引鐵片的現象，曾對其原因進行過一番思考。據說他的解釋是：“萬物皆有靈。磁吸鐵，故磁有靈。”這裡所說的“磁”就是磁鐵礦石。

希臘人把琥珀叫做“elektron”（與英文“電”同音）。他們從波羅的海沿岸進口琥珀，用來制作手镯和首飾。當時的寶石商們也知道摩擦琥珀能吸引羽毛，不過他們認為那是神靈或者魔力的作用。

在東方，中國人民早在公元前2500年前後就已經具有天然的磁石知識。據《呂氏春秋》一書記載，中國在公元前1000年前後就已經有的指南針，他們在古代就已經用磁針來辨識方向了。

2．磁，靜電

通常所說的摩擦起電，在公元前人們隻知道它是一種現象。很長時間裡，關于這一種現象的認識并沒有進展。

而羅盤則在13世經就已經在航海中得到了應用。那時的羅盤是把加工成針形的磁鐵礦石放在稭稈裡，使之能浮在水面上。到了14世紀初，又制成了用繩子把磁針吊起來的航海羅盤。

這種羅盤在1492年哥倫布發現美洲新大陸以及1519年麥哲倫發現環繞地球一周的航線時發揮了重要的作用。

（1）磁，靜電與吉爾伯特

英國人吉爾伯特是伊麗莎白女王的禦醫，他在當醫生的同時，也對磁進行了研究。他總結了多年來關于磁的實驗結果，于1600年出了一本取名為《論磁學》的書。書中指出地球本身就是一塊大磁石，并且闡述了羅盤的磁傾角問題。

吉爾伯特還研究了摩擦琥珀吸引羽毛的現象，指出這種現象不僅存在于琥珀上，而且存在于硫磺，毛皮，陶瓷，火漆，紙，絲綢，金屬，橡膠等是摩擦起電物質系列。把這個系列中的兩種物質互相摩擦，系列中排在前面的物質将帶正電，排在後面的物質将帶負電。

那時候，主要的研究方法就是思考，而他主張真正的研究應該以實驗為基礎，他提出這種主張并付諸實踐，在這點上，可以說吉爾伯特是近代科學研究方法的開創者。

（2）雷和靜電

在公元前的中國，打雷被認為是神的行為。說是有五位司雷電的神仙，其長者稱為雷祖，雷祖之下是雷公和電母。打雷就是雷公在天上敲大鼓，閃電就是電母用兩面鏡子把光射向下界。

到了亞裡斯多德時代就已經比較科學了。認為雷的發生是由于大地上的水蒸氣上升，形成雷雨雲，雷雨雲遇到冷空氣凝縮而變成雷雨，同時伴随出現強光。

認為雷是靜電而産生的是英國人沃爾，那是1708年的事。1748年，富蘭克林基于同樣的認識設計了避雷針。

能不能用什麼辦法把這種靜電收集起來？這個問題很多科學家都考慮過。1746年，萊頓大學教授缪森布魯克發明了一種存貯靜電的瓶子，這就是後來很有名的“萊頓瓶”。

缪森布魯克本來想像往瓶子裡裝水那樣把電裝進瓶子裡，他首先在瓶子裡灌上水，然後用一根金屬絲把摩擦玻璃棒能到水裡。就在他的手接觸到瓶子和棒的一瞬間，他被重重地“電擊”了一下。據說他曾這樣說過：“就算是國王指令，我也不想再做這種可怕的實驗了”。

富蘭克林聯想到往萊頓瓶裡蓄電的事，于1752年6月做了一個把風筝放到雷雨雲裡去的實驗。其結果，發現了雷雨雲有時帶正電有時帶負電的現象。這個風筝實驗很有名，許多科學家都很感興趣，也跟着做。1753年7月，俄羅斯科學家利赫曼在實驗中不幸遭電擊身亡。

通過用各種金屬進行實驗，意大利帕維亞大學教授伏打證明了鋅，鉛，錫，鐵，銅，銀，金，石墨是個金屬電壓系列，當這個系列中的兩種金屬互相接觸時，系列中排在前面的金屬帶正電，排在後面的金屬帶負電。他把銅和鋅做為兩個電極置于稀硫酸中，進而發明了伏打電池。電壓的機關“伏特”就是以他的名字命名的。

19世紀初，正是法國大革命後進入拿破侖時代。拿破侖從意大利歸來，在1801年把伏打召到巴黎，讓他做電實驗，伏打也是以獲得了拿破侖授予的金質獎章和萊吉諾-多諾爾勳章。

（3）伏打電池的利用與電磁學的發展

伏打電池發明之後，各國利用這種電池進行了各種各樣的實驗和研究。德國進行了電解水的研究，英國化學家戴維把2000個伏打電池連在一起，進行了電弧放電實驗。戴維的實驗是在正負電極上安裝木炭，通過調整電極間距離使之産生放電而發出強光，這就是電用于照明的開始。

1820年，丹麥哥本哈根大學教授奧斯特在一篇論文中公布了他的一個發現：在與伏打電池連接配接了的導線旁邊放一個磁針，磁針馬上就發生偏轉。

俄羅斯的西林格讀了這篇論文，他把線圈和磁針組合在一起，發明了電報機（1831年），這可說是電報的開始。

其後，法國的安培發現了關于電流周圍産生的磁場方向問題的安培定律（1820年），法拉第發現了劃時代的電磁感應現象（1831年），電磁學得到了飛速發展。

另一方面，關于電路的研究也在發展。歐姆發現了關于電阻的歐姆定律（1826年），基爾霍夫發現了關于電路網絡的定律（1849年），進而确立了電工學。

3．有線通信的曆史

有人說科學技術是由于軍事方面的需要而發展起來的，這種說法有一定的曆史事實根據。

英國害怕拿破侖進攻，曾用桁架式通信機向自己的部隊進報法國軍隊的動向。瑞典，德國，俄羅斯等國家也以軍事為目的，架設了由這類通信機組成的通信網，據說都曾投入了龐大的預算。

将這種通信機改造成電通信方式的構想大概就是有線通信的開始。

(1）有線通信的原理

除了将前面所講到的西林所發明的電磁式電報機以外，還有德國的簡梅林發明的電化學式電報機，高斯和韋伯（德國）的電報機，庫克和惠斯能（英國）的5針式電報機等。電報機的形式也是各種各樣的，有音響式，印刷式，指針式，鐘鈴式等。其中，庫克和惠斯通的5針式電報機最為有名。1837年，這種電報機曾通過架設在倫敦與西德雷頓之間長達20公裡的5根電線而投入實際使用。

（2）莫爾斯電報機

1837年，莫爾斯電報機在美國研制成功，發明人就是以莫爾斯電碼而聞名的莫爾斯。莫爾斯電碼是一種以點，劃來編碼的信号。

莫爾斯本來是想當一名畫家，他為此在倫敦留學。1815年，他在回美國的船上聽了波士頓大學教授傑克遜關于電報的一席談話，萌發了莫爾斯電碼和電報機的構想。為了鋪設電報線，莫爾斯成立了電磁-電報公司，并于1846年在紐約-波士頓，費城-匹茲堡，多倫多-布法羅-紐約之間開通了電報業務。

莫爾斯的事業獲得了極大成功，于是就在美國各地創辦電報公司，電報業務逐漸擴大起來。

1846年，莫爾斯電報機裝上了音響收報機，使用也更加友善。

（3）電話和交換機

1876年2月14日，美國的兩位發明家貝爾和格雷分别遞交了電話機專利的申請，貝爾的申請書比格雷的申請書早兩個小時到達，因而貝爾得到了專利權。

1878年，貝爾成立了電話公司，制造電話機，全力發展電話事業。

從發展電話業務開始，交換機就擔負着重要的任務。1877年前後的交換機稱為傳票式交換機，話務員收到通話請求，很把傳票交給另一位話務員。

其後，經過反複改進，開發出了框圖式交換機，進而又開發出了自動交換方式（1879年）。

1891年，史端喬式自動交換機研制成功。至此，自動交換的願望就算實作了。之後研究仍在繼續，又經過了幾個階段才達到現在的電子交換機。

（4）海底通信電纜

陸上通信網日漸完備，人們開始考慮在海底敷設通信電纜來實作跨海國家之間的通信。1840年前後，惠斯通就已經考慮到了海底電纜的問題。

海底電纜有很多問題需要解決，電纜的機械強度，絕緣及敷設方法都陸上電纜不同。

1845年，英吉利海峽海底電報公司成立，開始了從英國到加拿大并跨過多佛爾海峽到達法國的海底電纜敷設工程。

海底電纜敷設中碰到了電纜斷裂等大難題，但敷設誨底電纜是時代的要求，各國都為此投稿了力量。

1851年，最早的加來-多佛爾海底電纜敷設完畢，成功地實作了通信。以此為契機，歐洲周邊和美洲東部周邊也敷設了許多電纜。

現在，世界上的大海裡遍布着電纜，供通信使用。

4．無線通信的曆史

世界上任何一個地區的資訊都能顯示在電視機上，這種友善是電波帶給我們的。

最早的電波實驗是德國的赫茲在1888年進行的。通過實驗，赫茲弄清了電波和光一樣，具有直線傳播，反射和折射現象。

頻率的機關赫茲就是來自他的名字。

（1）馬可尼的無線電裝置

在雜志上讀到過赫茲實驗文章的意大利人馬可尼，在1895年研制出了最早的無線電裝置，利用這一裝置在相隔大約3公裡遠的距離之間進行了莫爾斯電碼通信實驗。他想到了要把無線通信企業化，就成立了一個無線電報與信号公司。

盡管馬可尼在無線通信領域獲得了諸多成功，但由于與海底電纜公司的利益相沖突，他想在紐芬蘭設立無線電報局的事遭到了反對，馬可尼的反對者還不在少數。

（2）高頻波的産生

要實作無線通信，首先要産生穩定的高頻電磁波。

達德爾采用由線圈和電容器構成的電路産生出了高頻信号，但頻率還不到50KHZ，電流也隻有2~3A，比較小。

1903年，荷蘭的包魯森利用酒精蒸氣電弧放電産生出了1MHZ的高頻波，彼得森又對其進行了改進，制成了輸出功率達到1KW的裝置。

其後，德國設計出了機械式高頻發生裝置，美國的斯特拉和費森登，德國的戈爾德施米特等人開發出了用高頻交流機産生高頻波的方法等，很多科學家和工程師都曾緻力于高頻波發生器的研究。

（3）無線電話

如果傳送的不是莫爾斯信号而是人的語言，那就需要有運載有信号的載波。載波必須是高頻波。

1906年，美國通用電氣（GE）公司的亞曆山德森制成了80KHZ的高頻信号發生裝置，首次成功地進行了無線電話的實驗。

用無線電話傳送語音，并且要收聽它，這就需要有用于發送的高頻信号發生裝置和用于接收的檢波器。費森登設計了一種多差式接收裝置，并于1913年試驗成功。

達德爾設計出了以包魯森電弧發送器為發送裝置，以電解檢波器為接收裝置的受話器方式。在當時，由于都是采用火花振蕩器，是以噪聲很大，實驗階段可說是成功了，但離實用化還很遠。

要想使産生的電波穩定，接收到的噪聲小，還得等待電子管的出現。

（4）二極管和三極管

1983年，愛迪生發現從電燈泡的熱絲上飛濺出來的電子把燈泡的一部分都熏黑了，這種現象被稱為愛迪生效應。

1904年，弗萊明從愛迪生效應得到啟發，造出二極管，用它來進行檢波。

1907年，美國的D。福雷斯特在二極管的陽極和陰極之間又加了一個叫做栅極的電極，發明了三極管。

這種三極管既可以用于放大信号電壓，也可以配以适當的回報電路産生穩定的高頻信号，可說是一個劃時代的電路元件。

三極管經過進一步的改進，能夠産生短波，超短波等高頻信号。此外，三極管具有能控制電子流的功能，随後出現的陰極射線管和示波器與此有密切的關系。

5．電池的曆史

1790年，伽伐尼根據解剖青蛙實驗提出了“動物電”，以此為開端，伏打發現了兩種金屬接觸就有電産生的規律，可以說這就是電池的起源。

1799年，伏打在銅和鋅之間夾入一層浸透鹽水的紙，再把它們一層一層地疊起來，制成了“伏打電堆”。“電堆”的意思就是指把許多單個電池單元高高地堆在一起。

（1） 一次電池

一次電池放完電後不能再用的電池稱為一次電池。伏打對伏電電堆做了改進，制成了伏打電池。

1836年，英國人丹尼爾在陶瓷桶裡放入陽極和氧化劑，制成了丹尼爾電池。與伏打電池相比，丹尼爾電池能長時間提供電流。

1868年，法國的勒克朗謝公布了勒克朗謝電池，1885年（明治18年）日本的尾井先藏發明了尾井乾電池。尾井乾電池是一種把電解液吸附在海綿裡的特殊電池，具有搬運友善的特點。

1917年，法國的費裡發明了空氣電池，1940年，美國的魯賓發明了水銀電池。

（2）二次電池

放完電還可以充電再用的電池稱為二次電池。1859年，法國的普朗泰發明了能夠反複充電使用的鉛蓄電池，其結構是稀硫酸中裝有鉛電極，這是最早的二次電池。現在，汽車裡使用的就是這種類型的電池。

1897年（明治30年），日本的島津源藏開發出了具有10A*H容量的鉛蓄電池，并把他本人名字GENZO SIMAZU的字頭GS作為商品名稱，取名為GS電池投放市場。

1899年，瑞典的容納制成了容納電池，1905年愛迪生制成了愛迪生電池。這些電池的電解液都用的是氫氧化鉀，後來就被稱為堿性電池。

1948年，美國的紐曼發明了鎳镉電池。這是一種能充電的乾電池，是具有劃時代意義的電池。

（3）燃料電池

1939年，英國人格羅夫發現氧和氫的反應中有電能産生，并由實驗證明了燃料電池的可能性。也就是說，電解水的時候消耗了電能而生成了氧和氫，反過來，從外部給陽極一側送入氧，給陰極一側送入氫，就能夠産生電能和水。

格羅夫當時隻是做了實驗，并未實用化。1958年，劍橋大學（英國）制成了5KW的燃料電池。

1965年，美國GE公司成功地開發出了燃料電池，這個電池就安裝在1965年的載人飛船雙子星5号上，用于供給宇航員飲用水的飛船電能。1969年登上月球的阿波羅11号飛船上的電源也使用了燃料電池作為飛船内電源。

（4）太陽能電池

1873年，德國人西門子發明了用硒和鉑絲制成的光電池。現在照相機曝光表上所用的就是這種硒光電池。

1945年，美國的夏品發明了矽太陽能電池，這是一種當太陽光或燈光照到其PN結上時能産生電能的元件，廣泛用于人造衛星，太陽能汽車，鐘表，桌上型電腦等。提高這種元件轉換效率的研究與開發工作仍在進行中。

6．照明的曆史

18世紀60年代由英國興起的産業革命使工廠進入了連續加工，批量生産的時代，夜間照明成了重要問題。

前面已經講過，英國人戴維1815年曾做過用2000個伏打電池産生電弧的有名實驗。

（1）白熾燈泡

1860年，英國人斯旺把棉線碳化後做成燈絲裝入玻璃泡裡，發明了碳絲燈泡。

然而，由于當時的真空技術不高，點燈時間不能過長，時間一長，燈絲就會在燈泡裡氧化而燒掉。

斯旺所想到的白熾燈泡的原理是現在的白織燈的起源。随着燈絲研究和真空技術的進步，白熾燈最終達到了實用化。從這點不說，斯旺的發明是一項大發明。

1865年，施普倫格爾為研究真空現象而開發出水銀真空泵。斯旺知道這件事後，就在1878年把玻殼内的真空度提高，又在燈絲上下了一番功夫。他先把棉線用硫酸處理，然後再碳化，最後，他公布了斯旺燈泡。斯旺的白熾燈泡曾在巴黎萬國博覽會上展出。

1879年，美國的愛迪生成功地把白熾燈泡的壽命延長到了40小時以上。1880年，愛迪生發現竹子是做白熾燈燈絲的優良材料，就把日本，中國，印度的竹子收集起來反複進行實驗。

愛迪生把部下穆爾派到日本，在京都的八幡尋找優質竹子，若乾年後，用八幡竹子制造出了燈絲。為了制造這種竹燈絲的燈泡，1882年他在倫敦和紐約成立了愛迪生電燈公司。

在日本，1886年（明治19年）東京電燈公司成立，明治22年起，一般的家庭開始用上了白治燈泡。

1910年，美國的庫利廳用鎢絲做燈絲，發明了鎢絲燈泡。

1913年，美國的蘭米爾在玻殼裡充入氣體以防止燈絲蒸發，發明了充氣鎢絲燈泡。

1925年，日本的不破橘三發明了内壁磨砂燈泡。

1932年，日本的三浦順一發明了雙螺旋鎢絲燈泡。

正是由于上述的不斷探索，今天我們才能享受白熾燈照明的日常生活，想起來真是漫漫長路啊。

（2）放電燈

1902年，美國的休伊茲特在玻殼内裝入水銀蒸氣，發明了弧光放電汞燈。由于這種汞燈在汞蒸氣的氣壓較低時發出了紫外線較多，是以常作為殺菌燈使用。而當水銀氣壓較高時，可發出很強的可見光。

現在廣泛用于廣場照明和道路照明的高壓汞燈所發出的光是一種混合光，混合光包括水銀電弧放電的光和紫外線照到塗敷在玻殼内壁的熒光材料上所發出的光。

1932年，荷蘭菲利浦公司開發出了波長為590nm單色的鈉燈，這種燈廣泛用于公路的隧道照明。

1938年，美國的英曼發明了現在廣泛使用的熒光燈。這種燈通過用水銀電弧放電發出的紫外線照射塗敷在燈管内壁的不同熒光粉而發出不同顔色的光。通常，白色熒光燈用得最多。

7．電力裝置的曆史

可以說，1820年奧斯特所發現的電磁作用就是電動機的起源。

而1831年法拉第所發現的電磁感應就是發電機的變壓器的起源。

（1）發電機

1832年，法國人畢克西發明了手搖式直流發電機，其原理是通過轉動永磁體使磁通發生變化而線上圈中産生感應電動勢，并把這種電動勢以直流電壓形式輸出。

1866年，德國的西門子發明了自勵式直流發電機。

1869年，比利時的格拉姆制成了環形電樞，發明了環形電樞發電機。這種發電機是用水力來轉動發電機轉子的，經過反複改進，于1847年得到了3。2KW的輸出功率。

1882年，美國的戈登制造出了輸出功率447KW，高3米，重22噸的兩相式巨型發電機。

美國的特斯拉在愛迪生公司的時候就決心開發交流電機，但由于愛迪生堅持隻搞直流方式，是以他就把兩相交流發電機和電動機的專利權賣給了西屋公司。

1896年，特斯拉的兩相交流發電機在尼亞拉發電廠開始勞動營運，3750KW，5000V的交流電一直送到40公裡外的布法羅市。

1889年，西屋公司在俄勒岡州建設了發電廠，1892年成功地将15000伏電壓送到了皮茨菲爾德。

（2）電動機

1834年，俄羅斯的雅可比試制出了由電磁鐵構成的直流電動機。1838年，這種電動機開動了一艘船，電動機電源用了320個電池。此外，美國的文波特和英國的戴比德遜也造出了直流電動機（1836年），用作印刷機的動力裝置。由于這些電動機都以電池作為電源，是以未能廣泛普及。

1887年，前面所講過的特斯拉兩相電動機作為實用化感應電動機的發展計劃開始啟動。1897年，西屋公司制成了感應電動機，設立專業公司緻力于電動機的普及。

（3）變壓器

發電端在向外輸送交流電的時候，要先把交流電壓升高，到了用電端，又得把送來的交流電壓降低。是以，變壓器是必不可少的。

1831年，法拉第發現磁可以感應生成電，這就是變壓器誕生的基礎。

1882年，英國的吉布斯獲得了“照明與動力用配電方式”專利，其内容就是将變壓器用于配電，當時所用的變壓器是磁路開放式變壓器。

西屋引進了吉布斯的變壓器，經過研究，于1885年開發出了實用的變壓器。

此外，在此前一年的1884年，英國的霍普金森制成了閉合磁路式變壓器。

（4）電力裝置和三相交流技術

兩相交流電是用四根電線輸電的技術。德國的多勃羅沃爾斯基在繞組上想出了竅門，從繞組上每隔120度的三個地方引出抽頭，得到了三相交流電。1889年，利用這種三相交流電的旋轉磁場，制成了功率為100W的最早的三相交流電動機。

同年，多勃羅沃爾斯基又開發出了三相四線制交流接線方式，并在1891年的法蘭克福輸電實驗（150VA三相變壓器）中獲得了圓滿成功。

8．電子電路元器件的曆史

當代，是包括計算機在内的電子學繁榮昌盛的時代，其背景與電子電路元器件由電子管-半導體=內建電路的不斷發展有着密切的關系。

（1）電子管

電子管是沿着二極管-三極管-四極管-五極管的順序發明出來的。

二極管：前面曾經講過，愛迪生發現了電燈泡燈絲發射電子的“愛迪生效應”。1904年，英國人弗萊明受到“愛迪生效應”的啟發，發明了二極管。

三極管：1907年，美國的福雷斯特發明了三極管。當時，真空技術尚不成熟，三極管的制造水準也不高。但在反複改進的過程中，人們懂得了三極管具有放大作用，終于拉開了電子學的帷幕。

振蕩器也從上面所講過的馬可尼火花裝置發展為三極管振蕩器。三極管有三個電極，陽極，陰極和設定在二者之間的控制栅極，這個控制栅極是用來控制陰極所發射的電子流的。

四極管：1915年，英國的朗德在三極管的控制栅極與陽極之間又加了一個電極，稱為簾栅極，其作用是解決三極管中流向陽極的電子流中有一部分會流到控制栅極上去的問題。

五極管：1927年，德國的約布斯特在陽極與簾栅極之間又加了一個電極，發明了五極管。新加的電極被稱為抑制栅。加入這個電極的原因是：在四極管中，電子流撞到陽極上時陽極會産生二次電子發射，抑制栅就是為抑制這種二次電子發射而設定的。

此外，1934年美國的湯綠森通過對電子管進行小型化改進，發明了适用于超短波的橡實管。

管殼不用玻璃而采用金屬的ST管發明于1937年，經小型化後的MT管發明于1939年。

（2）半導體

半導體器件大緻分為半導體和內建電路（IC）兩大部分。第二次世界大戰後，由于半導體技術的進步，電子學得到了令人矚目的發展。

半導體是美國貝爾實驗室的肖克萊，巴丁，布拉特在1948年發明的。

這種半導體的結構是使兩根金屬絲與低摻雜鍺半導體表面接觸，稱為接觸型半導體。

1949年，開發出了結型半導體，在實用化方面前進了一大步。

1956年開發出了制造P型和N型半導體的擴散法。它是在高溫下将雜質原子滲透到半導體表層的一種方法。1960年開發出了外延生長法并制成了外延平面型半導體。外延生長法是把矽晶體放在氫氣和鹵化物氣體中來制造半導體的一種方法。

有了半導體技術的這些發展，随之就誕生了內建電路。

（3）內建電路

大約在1956年，英國的達馬就從半導體原理預想到了內建電路的出現。

1958年美國提出了用半導體制造全部電路元器件，實作內建電路化的方案。

1961年，得克薩斯儀器公司開始批量生産內建電路。

內建電路并不是用一個一個電路元器件連接配接成的電路，而是把具有某種功能的電路“埋”在半導體晶體裡的一個器件。它易于小型化和減少引線端，是以具有可靠性高的優點。

內建電路的內建度在逐年增加。元件數在100個以下的小規模內建電路，100~1000個的中規模內建電路，1000~100000個大規模內建電路，以及100000個以上的超大規模內建電路，都已依次開發出來，并在各種裝置中獲得了廣泛應用。