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酱油启示录——34

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本帖最后由 路过打酱油。。 于 2013-7-5 13:13 编辑

《电路》中通常注重的是线性时不变(LTI),但其本源并非如此,仅是出于起点和篇幅的考虑。在此不可能论述《高等电路分析》,就给点启示吧....

电路的基础是其基本元件的模型描述,也就是数学啦。下面给点说明,凑或着看吧。



一,二端器件

二端器件(可看成是个单端口网络)的一般关系是

    F(u,i,t) = 0

注意,F()可含对时间变元的微积分运算。



二,一般阻容感

1)电阻

    Fr(u,i,t) = 0

其中Fr()不含对时间变元的微积分运算。

电阻的显式表达可分两种

其一,流控电阻

    u = U(i,t)  (∂U/∂i≢0,∂U/∂i<∞)

显然有微分电阻

    R(i,t) = ∂U/∂i

其二,压控电阻

    i = I(u,t)  (∂I/∂u≢0,∂I/∂u<∞)

显然有微分电导

    G(u,t) = ∂I/∂u

2)电容

    q = Q(u,t)

其中,q为电荷,Q()不含对时间变元的微积分运算。

显然有

    i = (∂Q/∂u) du/dt + ∂Q/∂t

注意其中的项——∂Q/∂t,其具“阻性”。

显然有微分电容

    C(u,t) = ∂Q/∂u

3)电感

    ψ = Ψ(i,t)

其中,ψ为磁链,Ψ()不含对时间变元的微积分运算。

显然有

    u = (∂Ψ/∂i) di/dt + ∂Ψ/∂t

注意其中的项——∂Ψ/∂t,其具“阻性”。

显然有微分电感

    L(i,t) = ∂Ψ/∂i



三,时不变阻容感

1)电阻

    Fr(u,i) = 0

显然,Fr()不含对时间变元的微积分运算。

电阻的显式表达可分两种

其一,流控电阻

    u = U(i)  (dU/di≢0,dU/di<∞)

显然有微分电阻

    R(i) = dU/di

其二,压控电阻

    i = I(u)  (dI/du≢0,dI/du<∞)

显然有微分电导

    G(u) = dI/du

2)电容

    q = Q(u)

其中,q为电荷。显然,Q()不含对时间变元的微积分运算。

则有

    i = (dQ/du) du/dt

且有微分电容

    C(u) = dQ/du

3)电感

    ψ = Ψ(i)

其中,ψ为磁链。显然,Ψ()不含对时间变元的微积分运算。

则有

    u = (dΨ/di) di/dt

且有微分电感

    L(i) = dΨ/di



四,线性阻容感

1)电阻

    Fr(u/i,t) = 0

其中Fr()不含对时间变元的微积分运算。

电阻的显式表达可分两种

其一

    u = R(t)i  (R(t)≢0,R(t)<∞)

其二

    i = G(t)u  (G(t)≢0,G(t)<∞)

2)电容

    q = C(t)u

显然有

    i = C(t)du/dt + (dC/dt)u

注意其中的因子——dC/dt,这是个“电导”。

3)电感

    ψ = L(t)i

显然有

    u = L(t)di/dt + (dL/dt)i

注意其中的因子——dL/dt,这是个“电阻”。



五,线性时不变阻容感

1)电阻

    Fr(u/i) = 0

电阻的显式表达可分两种

其一

    u = R i  (R≢0,R<∞)

其二

    i = G u  (G≢0,G<∞)

2)电容

    q = C u

显然有

    i = C du/dt

3)电感

    ψ = L i

显然有

    u = L di/dt
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沙发
maychang| | 2013-7-5 09:38 | 只看该作者
通常所说电阻、电容或电感“非线性”,就是指
u = R i  (R≢0,R<∞)或 i = G u  (G≢0,G<∞)
i = C du/dt
  u = L di/dt
中的R、G、C、L不是常数,而是i、u的函数。
***不懂这个,所以才会说出“石英晶体内部的等效电感具有线性好的优点”这样不着边的话。

然后还轻描淡写地辩解

殊不知这一句话里面包涵了多少概念错误。

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板凳
路过打酱油。。|  楼主 | 2013-7-6 18:57 | 只看该作者
继续相关话题:

一、时不变电容的能量分析

由前可知时不变电容的i~u关系是

    i = C(u) du/dt

设u(t)为周期T的信号,则有

    ∫[t0,t0+T] u i dt = ∫[t0,t0+T] u C(u) (du/dt) dt
                               = ∫[u0,u0] u C(u) du
                               = 0

二、线性电容

先假设有一平板电容,面积为A,板间距为D(t)(注意,其是个时变量),则有

    C(t) = εA/D(t)

    dC(t)/dt = - (εA/D(t)²)dD(t)/dt

板间受力为

    F = εA(u/D(t))²/2

由前可知线性电容的i~u关系为

    i = C(t)du/dt + (dC/dt)u
      = (εA/D(t))du/dt - (εA/D(t)²)(dD(t)/dt)u

现在分析两项的意义。求能量

    w = ∫u i dt
       = ∫[(εA/D(t))u du/dt - (εA u²/D(t)²)dD(t)/dt]dt
       = ∫(εA/D(t))u(du/dt)dt - ∫(εA u²/D(t)²)(dD(t)/dt)dt
       = w1 + w2

    w1 = ∫((εA/D(t))u du/dt dt

    w2 = - ∫(εA u²/D(t)²)(dD(t)/dt)dt
         = - ∫(εA u²/D(t)²)(dD(t)/dt)dt
         = - ∫2F(dD(t)/dt)dt
         = - ∫2F dD

显见,i = C(t)du/dt + (dC/dt)u 中的第二项就是由于“时变源”(在此就是电容板间距变化)所致。注意,此“时变源”附加了等量的板间电场能构成两倍的“时变源”能量与电路交换(- ∫2F dD)。式子中的第一项则是由电压u的变化而导致的常规电容能量交换。

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评论
maychang 2013-7-6 19:24 回复TA
电子技术中有参量放大器。 
maychang 2013-7-6 19:22 回复TA
静电演示实验中所用“起电盘”即此。 
地板
路过打酱油。。|  楼主 | 2013-7-6 19:10 | 只看该作者
由此可见,时变电容原则上不是个纯净的电容,其内含有一个外加“独立源”。其它器件的时变性也可类似分析。

附加说明:

至少至今为止,按《电磁学》意义定义的基本元器仅如下几种

1)耗散类——电阻

2)电场储能类——电容

3)磁场储能类——电感

4)理想源——电压源和电流源。

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