动态电路中的动态元件.doc
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动态电路中的电容元件电阻电路是用代数方程描述的。电阻电路在任一时刻的响应只与同一时刻的激励有关,与过去的激励无关,因此,电阻电路是“无记忆”的,或者说是“即时的”。本篇幅只阐述动态电路中包含的电容和电感(略)元件,其它们的约束关系由微分方程描述。由于电容、电感元件的伏安关系都涉及对电流、电压的微分或积分,因此称这样的元件为动态元件。至少包含一个动态元件的电路称为动态电路。动态电路在任一时刻的响应与初始时刻以前的全部激励有关,这是和电阻电路完全不同之处。电路中为什么使用动态元件:实现某种功能的需要。例如,电阻电路不能完成滤波,必须利用动态元件才能实现这一功能。这也是我们常说的关于电容的隔直和旁路功能,都是电阻电路不能实现的。当信号变化很快时,一些实际器件已不能简单地用电阻模型来表示了。例如电阻器不能理想的电阻元件来表示,而要考虑电场和磁场的变化,因此需在电路中增添电感和电容等元件。电容元件1.1理想电容元件定义电路理论中的电容元件是实际电容器的理想化模型。电容器地物理结构是两块金属极板,中间用电解质隔开。由于理想介质是不导电的,因此在外电源的作用下,电容器两极板上能分别贮存等量的异性电荷。外电源撤走后,由于介质的绝缘作用,电荷不能中和,因此能长久地贮存下去。在电荷建立的电场中自然贮藏着能量,因此,电容器是一种能够贮存电场能量的器件。理想的电容器具有存贮电荷从在其中建立电场的作用,因此理想电容器应该是一种电荷与电压相约束的元件。电容元件:一个二端元件,如果在任一时刻t,它的电荷同它的端电压之间的关系可以用平面上的一条曲线来确定,则此二端元件称为电容元件。在某一时刻,和所取的值分别称为电荷和电压在该时刻的瞬时值。因此,我们说电容元件的电荷瞬时值和电压瞬时值之间存在着一种代数关系。电容元件符号(略)。如果平面上的特性曲线是一条通过原点的直线,且不随时间而变,则此电容元件称为线性非时变电容元件,即式中为正值常数,称为电容。在国际单位中,电容的单位为法拉(简称法,符号为F),其他常用的单位还有皮法和微法。我们也常把电容元件称为电容,并且,如不加以说明,电容都指线性非时变电容。在实际使用中,一个电容器除了标明它的电容量外,还应标明它的额定工作电压。由于介质的绝缘强度有限,因此每个电容器允许承受的电压是有限的,电压过高,介质就会被击穿从而变成导体,丧失电容器的作用。所以,使用电容器时不应超过它的额定工作电压。1.2电容元件的伏安特性虽然电容是根据关系来定义的,但在电路分析中我们更关心元件的伏安关系(VAR)。电容下图所示在关联参考方向下,设电流依图方向注入极板电荷量增加,有…………………………………………(1-4)这就是电容的VAR,电流与电压是微分关系。若与的参考方向不一致,则需在上式右边加一负号。上式表明:在某一时刻,电容的电流取决于该时刻电容电压的变化率,而非电容电压本身。如果电压不变,那么,虽有电压,但电流为零,因此,电容有隔直作用,因为直流电压是不随时间变化的。我们也可以把电容的电压表示为电流的函数,对(1-4)式积分可得:………………………………………………………(1-5)如果只需要了解某一任意选定的初始时刻以后电容电压的情况就可以把(1-5)式改写为……………(1-6)上式表明:某一时刻,电容电压的数值并不取决于该时刻的电流值,而是取决于从所有时刻的电流值,也就是说,与过去注入电容器的全部电流有关。这是因为电容电压取决于极板上聚集电荷的多少,而电荷的聚集是电流从到长期的结果。当我们设定一个初始时刻时,那么时刻以前的电流作用对未来(时)产生的效果可由,即电容的初始电压来反映,也就是说,若我知道了从初始时刻开始作用的电流以及电容的初始电压,就能确定时的电压了。电容是聚集电荷的元件,上式(1-4)和(1-5)分别从电荷变化的角度即电荷积累的角度描述了电容的伏安关系。1.3电容电压的连续性质和记忆性质(略)。1.4电容元件的贮能(略)。1.5电容元件的串并联(略)。