1.1 電路理論發展簡介

1.1.1 理論發現

電路理論與應用技術的發展，把人類帶進了一個奇妙的電的世界。在電力、電子、通信、計算機、自動化等眾多領域中，人們每天都享受著電帶來的現代文明?；厥淄?，不得不嘆服無數科學家歷經曲折、不斷探索所取得的重要成果。

電與磁總是相伴而生的。磁生電、電生磁的現象，是人們經過長期不斷觀察才認識的。我國古代早就發現了電磁現象。公元前2637年，我國人祖黃帝利用磁制成了羅盤針。據司馬遷記載，公元前9世紀，航海家已使用指南針導航了。1600年，英國物理學家吉爾伯特（W.Gilbert，1540—1603）在他的書中第一次討論了電與磁，因而被世人稱為電學之父。

1660年，德國科學家庫里克（O.V.Guericke）制成了第一臺產生靜電的裝置。1785年，法國人庫侖（C.A.Coulomb）定量地研究了兩個帶電體間的相互作用，得出了歷史上最早的電學定律——庫侖定律。這是人類在電磁現象認識上的一次飛躍。美國科學家富蘭克林（B. Franklin，1706—1790）在電的研究方面做了大量實驗，并于1749 年提出了正電和負電的概念。

1800年，意大利物理學家伏特（A.Vlota，1745—1827）發明了第一種化學電源——銅鋅電池，它能夠把化學能不斷地轉變為電能，維持單一方向的電流持續流動。這一發明具有劃時代的意義，引起了電磁學的一場革命。它為人們深入研究電化學、電磁學及其應用打下了物質基礎。以后很快發現了電流的化學效應、熱效應以及利用電來照明等。

1820年，丹麥物理學家奧斯特（H.C.Oersted，1777—1851）通過實驗發現了電流的磁效應，在電與磁之間架起了一座橋梁，打開了近代電磁學的突破口。

1825年，法國科學家安培（A.M.Ampere，1755—1836）提出了著名的安培定律。他從1820年開始在測量電流的磁效應中，發現兩個載流導線可以互相吸引，又可以互相排斥。這一發現成為研究電學的基本定律，為電動機的發明做了理論上的準備。

1827年，當時德國的一位教師歐姆（G.S.Ohm，1787—1854）通過多年的實驗，發現了電阻上電壓與電流的定量關系，發表了《電路的數學研究》，提出了今天普遍應用的歐姆定律。

1831年，英國物理學家法拉第（M.Faraday，1791—1867）發現了電磁感應現象。當他繼續奧斯特的實驗時，他堅信既然電能產生磁，那么磁也能產生電。他終于發現在線圈內運動的磁體可以在導線中產生電流。這一發現成為發電機和變壓器的基本原理，從而使機械能變為電能成為可能，推動了電在工業上的廣泛應用，使人類邁向了電氣時代。

1847年，德國科學家基爾霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）在他還是一個23歲大學生的時候就提出了著名的電流定律和電壓定律，這成為電路分析最基本的依據。

1864年，蘇格蘭科學家麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879）提出一組關于電和磁共同遵守的數學方程，即麥克斯韋方程，他預言空間一定存在電磁波。

1889年，德國物理學家赫茲（H.R.Hertz，1857—1894）經過艱苦的反復實驗，證明麥克斯韋所預言的電磁波確實存在。

1.1.2 重要發明

隨著人們對電的認識不斷深化，各種有用的發明不斷涌現。1837年，畫家出身的美國人莫爾斯（S.F.Morse，1791—1872）發明了電報。1843年，他用電報機從華盛頓向40 mi.（英里，1 mi.≈1.6 km）外的巴爾的摩發出電文。在他研究之初，為了說服別人為他投資，他得到的回答常常是：“先生，用導線傳遞消息，你為啥不發明一個能飛向月球的火箭呢？”但莫爾斯的創造欲望經過十多年的奮斗終于實現了。

1866年，德國工程師西門子（K.W.Siemens，1823—1883）發現了電動原理并用在了發電機的改進上。由于電在各方面的應用日益廣泛，如照明、電解、電鍍、電力拖動等，迫切需要更方便地獲取電能，以提高效率、降低成本。1882年，直流高壓輸電試驗成功。但由于直流高壓不便于用戶直接使用，同年在發明變壓器的基礎上又實現了遠距離交流高壓輸電。從此，電氣化時代開始了。

1876年，另一項偉大發明在波士頓誕生了，這就是美國科學家貝爾（A.G.Bell，1847—1922）發明了電話。貝爾當時僅是一名聾啞人學校的教師，但憑借對電流作用敏感的認識和不懈的努力，達到了通過導線互相通話的目的。經過不斷改進，到1878年，他實現了從波士頓到紐約之間200 mi.的首次長途通話。貝爾曾經把電話的語音比喻為歌聲，他說：“這歌聲是永不停止的，因為這是對生活故事的歌頌，而生活是永不停止的。那高懸的電話線正在把生與死、成功與失敗的消息傳遍全球?！?/p>

1879年，美國的愛迪生（T.A.Edison，1847—1931）發明了鎢絲電燈。這位在一生中獲得一千多項發明專利的發明家用電照亮了千家萬戶。他曾說過：“我的人生哲學是工作。我愿揭示自然界的秘密并用以造福于人類。我認為，我們在人世間短暫的一生中，最好的貢獻莫過于此”。

1894年，意大利的馬可尼（G.Marconi，1874—1937）和俄國的波波夫分別發明了無線電。沒有受過正規大學教育的20歲的馬可尼利用赫茲的火花振蕩器作為發射器，通過電鍵的開、閉產生斷續的電磁波信號。1895年他發射的信號傳送距離可達1 km以上，1897年發射的信號可在20 km之外接收到，從此開始了無線電通信的時代。

電真空器件的發明使電子工程的發展推進了一大步。英國科學家湯姆遜（J.Thomson，1856—1940）在1895—1897年間反復測試，證明了電子確實存在。隨后，英國科學家弗萊明（J.A.Fleming）在愛迪生發明的熱二極管的基礎上發明了實用的真空二極管。它具有單向導電特性，能用來整流或檢波。1907年，美國人福斯特（L.D.Forest）發明了真空三極管，它對微弱電信號有放大作用。1914年，福斯特又用真空三極管構成了振蕩電路，使無線電通信系統更加先進。

1925年，英國的貝爾德（J.L.Baird）首先發明了電視。幾乎在同時，美國無線電公司（R. C.A）的工程師諾基（V.K.Zworykin）發明了電視顯像管。1933年，他利用真空二極管、真空三極管和顯像管，最早發明了電視機。1936年，黑白電視機就正式問世了。

1946年，世界又一個奇跡出現了。第一臺電子計算機在美國賓夕法尼亞大學莫爾電子工程學院研制成功。這臺稱為ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）的計算機是以美國數學家諾依曼（J.V.Neumann）為主設計的。這臺計算機占地約165 m2，使用了18 000只真空電子管，重30 t（噸），每秒可運算5 000次，這在當時是史無前例的。今天的計算機已發展到第五代，速度可達幾十萬億次。然而第一臺計算機仍是劃時代的。

人類的生產實踐和科學實驗是不斷發展的，永遠不會停止在一個水平上。從1948年起，固態電子學的時代向我們走來。1947年12月24日，貝爾實驗室的布拉?。╓alter Brattain）、巴?。↗ohn Bardeen）和肖克利（William Shockley）發明了一種點接觸晶體管。這是一種全新的半導體器件，它體積小，電性能穩定，功耗低。這項發明自從1948年公布于世起，很快就應用于通信、電視、計算機等領域，促進了電氣和電子工程技術的飛速發展。

從20世紀50年代末期開始，科學又把人類帶入了微電子學時代。1958年，利用單晶硅材料，世界上第一片集成電路（Integrated Circuit，IC）在美國得克薩斯州誕生了。它的發明者是基爾比（J.Kilby，1923—）。1961年，福查德公司生產出了第一片商用IC。到20世紀60年代末，在大約1/4 in（英寸，1 in=2.54 cm）的小硅片上可以集成6 800個晶體管和數千個其他元件。從20世紀70年代起，集成電路技術飛速發展，各種大規模集成電路（Large Scale Inte?grated，LSI）和超大規模集成電路（Very Large Scale Integrated，VLSI）層出不窮。由于集成電路具有成本低、尺寸小、可靠性高、電性能優良等優點并廣泛使用，從而引起了工業系統、通信系統、控制系統、計算機系統、測量系統、生物醫學系統的革命性發展。

1790年，富蘭克林在他84歲臨終時曾經感慨地說：“科學的發展如此之快，以至于使我后悔出生得太早了?，F在不可能想象，一千年后人類對物質的駕馭能力會推進到什么程度。人們為了運輸的方便，也許能克服地球的引力而舉起龐然大物；農民能減輕其勞動又使產量倍增；疾病可用有效的方法預防和治療，人的壽命可以延長。”驚人的是，在他身后才過了二百多年，他的預言都已實現了。

關于電的理論和電子技術的發展，單就經典階段和現代階段而言，前后大體經歷了200年。特別是最近的100年，其理論成果和發明創造幾乎成指數式增長。電子科學的應用已經遍及計算機、通信、生物、海洋、航天和商業等各個領域?？梢灶A料，關于電的未來前景一定是更加迷人的。