Elektroteknikens idéhistoria

Transkript

1 Lennart Harnefors Elektroteknikens idéhistoria Elektroteknik kan grovt delas upp i tre områden, som vi här väljer att kalla klassisk elektroteknik, elektronik samt signaler, system och reglering. Vi gör en kort historisk översikt av dessa tre områden. Fokus inom klassisk elektroteknik är från antiken till ca 1900, och för de andra två områdena 1900-talet. 1. Klassisk elektroteknik Detta område är i grunden experimentellt, men fick på 1800-talet en teoretiskt/matematisk bas. Brytpunkten för detta sätter vi till publicerandet av Maxwells ekvationer, Inom klassisk elektroteknik återfinner vi dels den fysiknära teorin för elektromagnetism och dels apparatur för genering, transmission och omvandling av elektricitet, såsom generatorer, transformatorer och motorer (för elektricitet som energibärare) samt t ex antenner och vågledare (för elektricitet som informationsbärare). Antiken 1600 Magnetstenens förmåga att dra till sig järn är bekant sedan de äldsta tider (några hundra år f Kr): Aristoteles, Platon, Teofrastos. Lucretius gör ett försök till förklaring av magnetisk kraftverkan genom emanation, en ström av små partiklar. Plinius d ä (23 79) ger följande (föga troliga) förklaring till order magnet: En herde vid namn Magnes skall en gång ha fastnat med sina järnbeslagna skor och sin järnbeslagna vandringsstav på (det magnetiska) berget Ida. Kompassen dyker upp i europeiska skrifter omkring år 1200, men lär ha används av kineserna långt dessförinnan. Det är tänkbart att Europa fått kompassen från Kina William Gilbert ( ) är den elektriska vetenskapens portalfigur. Hans De Magnete grundlägger utvecklingen mot dagens elektroteknik. Gilbert var en stor experimentator och lade även fram hypotesen att jorden är en stor magnet. 1729, Stephen Gray: Försök inom elektrostatik. 1745, Pieter van Musschenbroek och Ewald von Kleist: Leidenflaskan den första elektriska kondensatorn.

2 1749, Benjamin Franklin: Tolkar blixten som ett elektriskt fenomen och föreslår användning av åskledare talet, Henry Cavendish: Omfattande elektrotekniska undersökningar. Hade en klar uppfattning om begreppen potential och elektrisk laddning. 1785, Charles Augustin Coulomb: lagen för elektrisk kraftverkan. 1791, Luigi Galvani: Grunderna i elektrofysiologi (experiment med grodlår). 1800, Alessandro Volta: Uppfinner den elektriska stapeln, den första likströmskällan. 1812, Siméon Denis Poisson: Avhandling som bygger på Coulombs lag och ger de första exakta metoderna för beräkning på elektrostatiska system. 1816, Francis Ronalds: Första elektriska telegrafen. 1820, A.M. Ampère: Inför och skiljer klart mellan begreppen elektrisk spänning och elektrisk ström. 1820, Hans Christian Örsted: Upptäcker att en sluten galvanisk krets påverkar en magnetnål. 1826, Georg Simon Ohm: Upptäcker de allmänna lagarna för likströmskretsen. 1827: Ampère publicerar sitt stora sammanfattande elektrodynamiska arbete. 1828, George Green: Generaliserar Poissons metoder och kallar den av Poisson införda funktion V för potential function. 1830, Joseph Henry: Konstruerar mycket starka elektromagneter. 1831, Michael Faraday: Upptäcker den elektromagnetiska induktionen. 1834, Heinrich Friedrich Emil Lenz: Uppställer lagen för den inducerade strömmens riktning. 1834, Moritz Hermann von Jacobi: Konstruerar den första elektriska motorn. 1837, Samuel Finlay Breese Morse: Bygger sina första primitiva telegrafapparater. 1840, Carl Friedrich Gauss: Arbete snarlikt Greens; använder samma nomenklatur: Potential. Gauss arbete kom att bli grundläggande för potentialteorin. 1840: Telegraflinje med reläer.

3 1842, William Thompson (sedermera Lord Kelvin): Publicerar, 17 år gammal, den första av många vetenskapliga avhandlingar. 1856, Wilhelm Eduard Weber och Rudolf Kohlrauch: Uppmäter förhållandet mellan den elektrostatiska och elektromagnetiska enheten för elektrisk laddning. 1858, Charles Wheatstone: Får patent på sin snabbtelegraf med hålremsa. 1860, Philipp Reis: Konstruerar den första telefonen nutid 1861, James Clerk Maxwell: Publicerar den första av sina två avhandlingar om vad vi idag kallar Maxwells teori för de elektromagnetiska fenomenen. 1866: Första fungerande Atlantkabeln för telegrafi. 1867, Werner Siemens: Publicerar arbeten kring teori för elektriska maskiner. 1868, Herman von Helmholtz: Anger en transformation (konform avbildning) som kan användas för bestämning av vätskeströmning mellan två parallella halvplan. Påpekar att samma transformation kan användas för elektrostatiska fält i kondensator. 1876, Oliver Heaviside: Ställer upp telegrafekvationen. 1876, Alexander Graham Bell: Viktiga resultat kring överföring av tal. 1876, Lars Magnus Ericsson: Öppnar firman L.M. Ericsson & Co. 1877, Gustav Kirchhoff: Utvidgar Helmholtz beräkning till kondensatorbelägg med ändlig tjocklek. 1878: Första telefonväxeln (New Haven, USA) samt Ericssons första telefoner. 1879, Thomas Alva Edison: Uppfinner den första användbara glödlampan. 1883, Jonas Wenström: Bildar Elektriska AB i Stockholm, sedermera ASEA. 1884, John Henry Poynting: Anger ett matematiskt uttryck för den av ett elektromagnetiskt fält fortplantande energin. 1884, Nicola Tesla: Förevisar en tvåfas synkronmaskin. 1885, Galileo Ferraris: Upptäcker principen för asynkronmotorn.

4 1887, Heinrich Rudolph Hertz: Verifierar experimentellt Maxwells teori för elektromagnetiska vågor. 1890: Wenström erhåller svenskt patent på trefassystemet. 1890: Första utbyggnaden av Niagarafallen. 1891: Våldsam strid i USA mellan förespråkare för likström och enfas växelström. 1893: Första svenska elkraftöverföringen (Hellsjön-Grängesberg). 1895, Guglielmo Marconi: Konstruerar radiosändare och mottagare. 1898, Ferdinand Braun: Inför den slutna svängningskretsen i radiotekniken. 1900, Michael Idvorsky Pupin: Uppfinner Pupinspolen. 1901: Radiokontakt over Atlanten. 1909: Kungl Vattenfallsstyrelsen, senare Statens Vattenfallsverk, grundas. 1909: Kontinuerliga vågor börjar användas i radiosändare. 1933: Frekvensmodulering. 1936: Första 220 kv-linjen i Sverige (Krångede-Stockholm). 1954: Gotlandskabeln, första överföringen med högspänd likström. 2. Elektronik Med elektronik menas hur man med halvledande komponenter kan styra strömmar och spänningar. Elektroniken föds i början på 1900-talet. Från att man tidigare använt elektronrör uppfanns på 1940-talet transistorn. Elektroniken dominerar idag klart över klassisk elektroteknik, såväl i omfattning som inom forskning och utveckling. 1883: Termisk elektronemission observeras för första gången av Edison. 1904: Kvartskristallen används som radiodetektor. 1905: Edisoneffekten, elektronens existens påvisas. 1906: Kristalldetektorn. 1907: Elektronrören diod och triod patenteras. 1912, Lee de Forest: Konstruerar en trestegs lågfrekvensförstärkare.

5 1924: Superheterodynmottagaren. 1947, William B Schockley, Walter Houser Brattain och John Bardeen: Uppfinner transistorn. 1954: Kisel börjar användas som halvledarmaterial. 1958: Första integrerade kretsen. 1970: LSI-teknik (chip med upp till komponenter). 1980: VLSI-teknik (upp till komponenter). 3. Signaler, system och reglering Detta område är i högsta grad ämnesövergripande, men har funnit sin närmaste hemvist inom elektrotekniken. Området innefattar å ena sidan konstruktion av system, såsom förstärkare, filter och regulatorer, men framför allt teori för dynamiska system, beskrivning av informationsbärande signaler samt algoritmer för datorimplementering av dynamiska system. Det är därför också nära kopplat till tillämpad matematik och datateknik. -270, Vitruvius: Återkoppling i vattenklockor talet: Jean Joseph Fourier resp Pierre Simon de Laplace formulerar sina berömda transformer talet: Mekaniska regulatorer för bl a äggkläckare och lufttillförsel till ugnar. 1789, James Watt: Ångmaskinregulatorn tal: Instabilitet ( hunting ) upptäcks. Poncelet och Airy använder differentialekvationer för att analysera fenomenet tal: Återkoppling i tillämpningar såsom temperatur, tryck, vätskenivå, varvtal, roderservon, ljusbågslampor. 1846: William Siemens introducerar I-verkan. 1868: Maxwell publicerar arbetet On Governors. 1877, Edward Routh: Formulerar sitt berömda stabilitetstest i Stability of Motion. 1895, Adolf Hurwitz: Härleder samma test på annat sätt.

6 1900-tal: Återkoppling används nu för reglering av elkraft (spänning, ström och frekvens), kokare, fartyg och flygplan. Ännu ingen klar insikt i processens dynamik. 1927, Harold Stephen Black: Skissar krets för negativt återkopplad förstärkare, som började användas av AT&T , Harry Nyquist: Formulerar samplingsteoremet. 1932: Nyquist formulerar sitt stabilitetskriterium för återkopplade system i arbetet Regeneration Theory. 1942, J.G. Ziegler och N.B. Nichols: Publicerar arbete kring optimalt parameterval för PI- och PID-regulatorer tal: Automatiskt radarsystem används mot V1-raketer tal: Teori för samplade system börjar växa fram. 1942, Claude E. Shannon: Ett av de första verken kring statistisk signalbehandling: The Extrapolation, Interpolation and Smoothing of Stationary Time Series with Engineering Applications. 1945, Hendrick W. Bode: Publicerar boken Network Analysis and Feedback Amplifier Design. 1948: Shannon publicerar arbetet A Mathematical Theory of Communication, som lägger teoretiska grunden för överföring av information över en störd kanal. 1949: Shannon bevisar samplingsteoremet. 1951: Första reglertekniska konferensen (Cranfield, England) , Richard Bellman: Studerar missilers flygbanor genom dynamisk programmering. 1960, Rudolf Kalman: Publicerar artikeln On the Theory of Control Systems på IFAC-konferensen i Moskva. 1965, James W. Cooley och John W. Tukey: Formulerar FFT-algoritmen i arbetet An Algorithm for the Machine Calculation of Complex Fourier Series.