1.1 电路理论发展简介

1.1.1 理论发现

电路理论与应用技术的发展，把人类带进了一个奇妙的电的世界。在电力、电子、通信、计算机、自动化等众多领域中，人们每天都享受着电带来的现代文明。回首往事，不得不叹服无数科学家历经曲折、不断探索所取得的重要成果。

电与磁总是相伴而生的。磁生电、电生磁的现象，是人们经过长期不断观察才认识的。我国古代早就发现了电磁现象。公元前2637年，我国人祖黄帝利用磁制成了罗盘针。据司马迁记载，公元前9世纪，航海家已使用指南针导航了。1600年，英国物理学家吉尔伯特（W.Gilbert，1540—1603）在他的书中第一次讨论了电与磁，因而被世人称为电学之父。

1660年，德国科学家库里克（O.V.Guericke）制成了第一台产生静电的装置。1785年，法国人库仑（C.A.Coulomb）定量地研究了两个带电体间的相互作用，得出了历史上最早的电学定律——库仑定律。这是人类在电磁现象认识上的一次飞跃。美国科学家富兰克林（B. Franklin，1706—1790）在电的研究方面做了大量实验，并于1749 年提出了正电和负电的概念。

1800年，意大利物理学家伏特（A.Vlota，1745—1827）发明了第一种化学电源——铜锌电池，它能够把化学能不断地转变为电能，维持单一方向的电流持续流动。这一发明具有划时代的意义，引起了电磁学的一场革命。它为人们深入研究电化学、电磁学及其应用打下了物质基础。以后很快发现了电流的化学效应、热效应以及利用电来照明等。

1820年，丹麦物理学家奥斯特（H.C.Oersted，1777—1851）通过实验发现了电流的磁效应，在电与磁之间架起了一座桥梁，打开了近代电磁学的突破口。

1825年，法国科学家安培（A.M.Ampere，1755—1836）提出了著名的安培定律。他从1820年开始在测量电流的磁效应中，发现两个载流导线可以互相吸引，又可以互相排斥。这一发现成为研究电学的基本定律，为电动机的发明做了理论上的准备。

1827年，当时德国的一位教师欧姆（G.S.Ohm，1787—1854）通过多年的实验，发现了电阻上电压与电流的定量关系，发表了《电路的数学研究》，提出了今天普遍应用的欧姆定律。

1831年，英国物理学家法拉第（M.Faraday，1791—1867）发现了电磁感应现象。当他继续奥斯特的实验时，他坚信既然电能产生磁，那么磁也能产生电。他终于发现在线圈内运动的磁体可以在导线中产生电流。这一发现成为发电机和变压器的基本原理，从而使机械能变为电能成为可能，推动了电在工业上的广泛应用，使人类迈向了电气时代。

1847年，德国科学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）在他还是一个23岁大学生的时候就提出了著名的电流定律和电压定律，这成为电路分析最基本的依据。

1864年，苏格兰科学家麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831—1879）提出一组关于电和磁共同遵守的数学方程，即麦克斯韦方程，他预言空间一定存在电磁波。

1889年，德国物理学家赫兹（H.R.Hertz，1857—1894）经过艰苦的反复实验，证明麦克斯韦所预言的电磁波确实存在。

1.1.2 重要发明

随着人们对电的认识不断深化，各种有用的发明不断涌现。1837年，画家出身的美国人莫尔斯（S.F.Morse，1791—1872）发明了电报。1843年，他用电报机从华盛顿向40 mi.（英里，1 mi.≈1.6 km）外的巴尔的摩发出电文。在他研究之初，为了说服别人为他投资，他得到的回答常常是：“先生，用导线传递消息，你为啥不发明一个能飞向月球的火箭呢？”但莫尔斯的创造欲望经过十多年的奋斗终于实现了。

1866年，德国工程师西门子（K.W.Siemens，1823—1883）发现了电动原理并用在了发电机的改进上。由于电在各方面的应用日益广泛，如照明、电解、电镀、电力拖动等，迫切需要更方便地获取电能，以提高效率、降低成本。1882年，直流高压输电试验成功。但由于直流高压不便于用户直接使用，同年在发明变压器的基础上又实现了远距离交流高压输电。从此，电气化时代开始了。

1876年，另一项伟大发明在波士顿诞生了，这就是美国科学家贝尔（A.G.Bell，1847—1922）发明了电话。贝尔当时仅是一名聋哑人学校的教师，但凭借对电流作用敏感的认识和不懈的努力，达到了通过导线互相通话的目的。经过不断改进，到1878年，他实现了从波士顿到纽约之间200 mi.的首次长途通话。贝尔曾经把电话的语音比喻为歌声，他说：“这歌声是永不停止的，因为这是对生活故事的歌颂，而生活是永不停止的。那高悬的电话线正在把生与死、成功与失败的消息传遍全球。”

1879年，美国的爱迪生（T.A.Edison，1847—1931）发明了钨丝电灯。这位在一生中获得一千多项发明专利的发明家用电照亮了千家万户。他曾说过：“我的人生哲学是工作。我愿揭示自然界的秘密并用以造福于人类。我认为，我们在人世间短暂的一生中，最好的贡献莫过于此”。

1894年，意大利的马可尼（G.Marconi，1874—1937）和俄国的波波夫分别发明了无线电。没有受过正规大学教育的20岁的马可尼利用赫兹的火花振荡器作为发射器，通过电键的开、闭产生断续的电磁波信号。1895年他发射的信号传送距离可达1 km以上，1897年发射的信号可在20 km之外接收到，从此开始了无线电通信的时代。

电真空器件的发明使电子工程的发展推进了一大步。英国科学家汤姆逊（J.Thomson，1856—1940）在1895—1897年间反复测试，证明了电子确实存在。随后，英国科学家弗莱明（J.A.Fleming）在爱迪生发明的热二极管的基础上发明了实用的真空二极管。它具有单向导电特性，能用来整流或检波。1907年，美国人福斯特（L.D.Forest）发明了真空三极管，它对微弱电信号有放大作用。1914年，福斯特又用真空三极管构成了振荡电路，使无线电通信系统更加先进。

1925年，英国的贝尔德（J.L.Baird）首先发明了电视。几乎在同时，美国无线电公司（R. C.A）的工程师诺基（V.K.Zworykin）发明了电视显像管。1933年，他利用真空二极管、真空三极管和显像管，最早发明了电视机。1936年，黑白电视机就正式问世了。

1946年，世界又一个奇迹出现了。第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学莫尔电子工程学院研制成功。这台称为ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）的计算机是以美国数学家诺依曼（J.V.Neumann）为主设计的。这台计算机占地约165 m2，使用了18 000只真空电子管，重30 t（吨），每秒可运算5 000次，这在当时是史无前例的。今天的计算机已发展到第五代，速度可达几十万亿次。然而第一台计算机仍是划时代的。

人类的生产实践和科学实验是不断发展的，永远不会停止在一个水平上。从1948年起，固态电子学的时代向我们走来。1947年12月24日，贝尔实验室的布拉丁（Walter Brattain）、巴丁（John Bardeen）和肖克利（William Shockley）发明了一种点接触晶体管。这是一种全新的半导体器件，它体积小，电性能稳定，功耗低。这项发明自从1948年公布于世起，很快就应用于通信、电视、计算机等领域，促进了电气和电子工程技术的飞速发展。

从20世纪50年代末期开始，科学又把人类带入了微电子学时代。1958年，利用单晶硅材料，世界上第一片集成电路（Integrated Circuit，IC）在美国得克萨斯州诞生了。它的发明者是基尔比（J.Kilby，1923—）。1961年，福查德公司生产出了第一片商用IC。到20世纪60年代末，在大约1/4 in（英寸，1 in=2.54 cm）的小硅片上可以集成6 800个晶体管和数千个其他元件。从20世纪70年代起，集成电路技术飞速发展，各种大规模集成电路（Large Scale Inte⁃grated，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated，VLSI）层出不穷。由于集成电路具有成本低、尺寸小、可靠性高、电性能优良等优点并广泛使用，从而引起了工业系统、通信系统、控制系统、计算机系统、测量系统、生物医学系统的革命性发展。

1790年，富兰克林在他84岁临终时曾经感慨地说：“科学的发展如此之快，以至于使我后悔出生得太早了。现在不可能想象，一千年后人类对物质的驾驭能力会推进到什么程度。人们为了运输的方便，也许能克服地球的引力而举起庞然大物；农民能减轻其劳动又使产量倍增；疾病可用有效的方法预防和治疗，人的寿命可以延长。”惊人的是，在他身后才过了二百多年，他的预言都已实现了。

关于电的理论和电子技术的发展，单就经典阶段和现代阶段而言，前后大体经历了200年。特别是最近的100年，其理论成果和发明创造几乎成指数式增长。电子科学的应用已经遍及计算机、通信、生物、海洋、航天和商业等各个领域。可以预料，关于电的未来前景一定是更加迷人的。