Lennart Harnefors
2003-10-07
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, 1861. 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.
1600 – 1860
William Gilbert (1544–1603) 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.
1749, Benjamin Franklin: Tolkar blixten som ett elektriskt fenomen och
föreslår användning av åskledare.
1770-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.
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.
1861 – 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.
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.
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 10 000 komponenter).
1980: VLSI-teknik (upp till 250 000 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.
1700-talet: Jean Joseph Fourier resp Pierre Simon de Laplace formulerar
sina berömda transformer.
1700-talet: Mekaniska regulatorer för bl a äggkläckare och lufttillförsel till
ugnar.
1789, James Watt: Ångmaskinregulatorn.
1800-tal: Instabilitet (“hunting”) upptäcks. Poncelet och Airy använder differentialekvationer för att analysera fenomenet.
1800-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.
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 1931.
1929, 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.
1940-tal: Automatiskt radarsystem används mot V1-raketer.
1940-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).
1948−52, 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”.
