何謂“電氣”?

現代文明的發展源自於人們對自然界物質的探索,這種探索的結果,揭開了自然世界的種種面紗,使人們深化了對自然界的認識,將自然界中的物質轉變為可為人類所用的形式,人類文明的進步正源於此。

如果說火的使用使人類進入了“文明1.0”時代,那麼電的使用則使人類進入了“文明2.0”時代。電的使用對人類文明的意義絲毫不亞於火的使用,電將人類的文明程度推向了新的高度,而且這個過程仍在繼續,未來人類社會是什麼樣的,我們不可預知。

中國繁體字的電字寫法為“電”,也就是說人們對電最初的認識是伴隨著雨的,人們通過雷電這種自然現象認識了電,這種認識是感性的。

何謂“電氣”?

人們對電有了理性的認識源自於十七世紀的西方,安培,法拉第,麥克斯韋等一串偉大的名字,電磁效應、電磁感應原理、經典電磁理論等電與磁關係理論的發現,使電逐漸成為人類可控、可用的能源物質。​

在19世紀60年代,麥克斯韋建立了統一的經典電磁場理論和光的電磁理論,並預言了電磁波的存在。而這種理論上的預見,後來得到了充分的實驗證實。1873年,麥克斯韋完成了他的鉅著——《電磁學通論》,全面總結了19世紀中葉以前電磁學的研究成果,這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數學原理》相媲美的著作,具有劃時代的意義,奠定了廣泛的電磁技術理論基礎。

何謂“電氣”?

隨著對電的認識的深化,尤其是電磁波理論被證實,人們發現電可以加載人們需要的信息,電又開始被作為一種信息的載體。

20世紀之前的時期,研究電的人普遍是物理學家和數學家。到了19世紀末20世紀初,隨著人們對於電作為能源和作為信息載體的理論的完善,發電機、電動機的使用和電的優良性質被人們發現,應用的範圍和領域不斷增加,才產生專門從事電的研究的人,從而也就產生了一門當時的新興學科——電氣學科。

電是一種能源

在電實際應用之前,人類對於能源的定義僅僅停留在化石能源,這些化石能源可以提供光、熱和動力,隨著麥克斯韋等偉大先哲解開電與磁的神秘面紗以後,人們發現了電同樣可以提供動力,而隨著用電領域的逐漸擴展,電可以轉化為光、熱等許多其它形式的能量。但是電是一種二次能源,由其它能源轉化而來,其轉化、傳輸和使用的過程又遠比一次能源更為複雜。

正因為電可以較為容易地通過煤炭石油等一次能源轉化而來,又可以相對容易地轉化為其它人們更方便使用的能量,而且轉換效率比較高,電才得到了最廣泛的使用,成為當今應用最廣泛的能源。

今天的人們放眼望去,周圍到處都是用電設備,而電作為能源被使用,無非以下幾種形式:電轉化為光,電轉化為熱,電轉化為動能。

電燈、霓虹燈等通過發光材料將電轉化為光,電梯、高鐵和大型機械通過電動機將電能轉化為動能,電熱壺、電暖器、電磁爐等消耗電能產生熱。正因為電更加清潔、適用範圍更加廣泛、應用更加方便和安全,使火把照明、燒柴炊飯、蒸汽機火車成為歷史。在可預知的未來,電作為一種能源的存在方式不會改變,即便是核能也要轉化為電能才能夠更可靠更方便地應用。

電是一種信息

電和磁是一體兩面的存在,變化的磁可以產生電,變化的電也可以產生磁。電磁波是可以在空間傳播的,而人們通過電磁波的傳播,可以傳遞想要傳達的信息,不同的頻率和波長代表著不同的信息,手機就是電磁波傳遞信息的一個最典型的應用,這是電作為信息的第一個方面。

我們都知道,在今天這個數字時代,圖像、視頻、音頻可以被方便地存儲、編輯和傳播,而所有這些信息的傳播,都是通過傳輸數據來進行的,而這些數據本質上講就是足夠多的0和1。而我們的圖像和視頻音頻播放設備就是將這些0和1構成的數據信息進行編譯顯示出來,包括我們的電腦、手機、計算器等等電子設備的編譯和計算過程,都是在通過0和1來進行計算的。但這種計算是通過什麼來計算的呢?通過大規模集成電路的高低電平,高電位代表1,低電位代表0。這就是為什麼所有電子設備和數據服務器內部都含有模擬電路和數字電路構成的大規模集成電路——芯片,而且都需要電來供應能量,在某種意義上講,我們所傳遞的所有數據,都是由無數個高低電平以極高的頻率計算得到的。計算機、通信網、無線電無不以電作為信息載體。所以,電的存在,使烽火戲諸侯、飛鴿傳書成為歷史。

綜上所述,電能是最清潔的能源,是能量轉換的樞紐和信息的載體,也是最便於遠距離傳輸、分配和控制,最易於與其它能量相互轉換,最便於進行能量時空分佈變換的一種能量。所以電能已經成為人類現代社會最主要的能源形式。

何謂“電氣”

瞭解了上面的事實再來了解電氣就相對容易了。

為了達到電作為能源和信息載體的應用目標,而進行的發電、輸電、變電、配電、用電各個環節的科學和技術,就構成電氣學科的主要內容,而今天,隨著用電形式的多樣,在用電領域又分化出很多的相對獨立的學科如通信和電子等。

發電的過程,是將化石燃料的能量、水的勢能、風能、太陽能、核能、潮汐能、地熱能等各種形式的能量轉化為電能的過程。除了太陽能轉化為電能以外,其餘幾種能量都需要發電機來產生電能,而發電機產生電能又包括了電生磁的勵磁環節和磁生電的導體在磁場中運動環節等複雜的電磁變換過程。因此,發電是電氣的一個重要領域。

何謂“電氣”?

輸電和變電的過程,是因為考慮到輸電損耗和輸電距離等限制因素,電能的需要以不同的電壓等級和不同的電能形式進行傳輸的過程。而要實現不同的電壓等級進行電能傳輸,變壓器便是一個關鍵的設備;選擇交、直流不同形式進行傳輸就需要交直流電能變化設備;為了實現輸變電過程的安全可靠,繼電保護和絕緣設備又是必不可少的。當然,這其中還包括了高壓輸電線路和變電站的設計與建設相關技術規範。因此,輸電和變電是電氣的重要領域。

何謂“電氣”?

何謂“電氣”?

配電的過程,是將電能配送到各個用電場所,變換成為較低的電壓水平,電力系統中直接與用戶相連並向用戶分配電能的環節。這個過程中同樣需要變壓器設備和相應的保護和控制設備,以及配電所的設計和建設。

用電的過程,在當今社會的發展水平下,是一個更為複雜的過程。今天的用電設備早已不侷限於用電發光、生熱和產生動能,用電的過程包括了電能的直接消耗(電動機、電熱設施、電子設備及各種網絡服務器等)、電能的二次變換(各種開關電源將電能變為各種電壓、頻率、交直流形式的電能)、電能的存儲(飛輪、電化學等儲能方式)等環節。這其中所包含的技術環節更為複雜,涵蓋的技術領域更為廣泛,所處的科技層次更為高端。

何謂“電氣”?

由此可以看出,電氣技術不是單純的電力技術或電子技術,當代高新技術都與電氣技術密切相關,並依賴於電氣技術。電是計算機、機器人的能源;電能為先進的工業農業生產過程和大範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實;電能使現代化運輸手段得以實現。同樣,新型電磁材料的開發、電機的控制、電力系統穩定性分析、電力電子系統與裝置、新能源的利用等幾乎所有的電氣技術都勢必涉及到大量的電子技術、計算機及網絡通信技術、自動控制技術的相關知識。因為電能的廣泛應用,電氣學科已經成為一個與多個學科高度融合的一門科學。


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