1、rc 电路的零状态响应 如图,在 t = 0 时刻,开关闭合,问 i 、u r 、 u c 如何变化? 物理过程分析: 根据以前知识,uc ( 0+ )=uc ( 0- )=u c ( 0 )=0 。这就是说,在 t=0 时刻,电容相当于短路,直流电压全部降落在 r上,那么电流 i (0 + )=u 0 / r 。但是,电流一经流动,必然在电容极板上产生电荷堆积,q=cu c > 0。然而,总电压 u0 不变,r 上压降必然减小,从而电流 i = ur/r 减小 …… 。最终,uc →u0,i →0,充电停止,电路达到另外一个稳态,此时,电容相当于开路。 数学求解: t > 0
这是一个一阶线性常系数非齐次微分方程。作如下代换后,求解: 结论:uc 随时间呈指数增长,最终趋于 uc。而 ur 则相反, uc + ur = u0 。电流 i(t) 从 u0 / r开始衰减,最终趋于0,快慢取决于 τ。 特别注意: 在整个充电过程中,电源提供的能量、电阻消耗的能量、电容储存的能量有下列关系:
使人惊奇的是:不论 c 和 r 的取值有多大,充电过程中,电源提供的能量中,正好一半转变成电场能存储于电容中,另一半则被 r 消耗掉了,即充电效率仅有50%。
2、rl 电路的零状态响应 如图,在 t = 0 时刻,开关闭合,直流电压源加于电路。问 i 、u r 、 u l 随时间如何变化? 物理过程分析: 根据以前知识,在有限电压前提下,电流不能跃变,i ( 0+ ) = i ( 0- )= i ( 0 ) = 0 。也即: u r( 0 + ) = r i ( 0 + )= 0
此刻, u 0 全部降落在 l 上,即: u l( 0+ ) = u0
换句话说,l 相当于开路 。 但是,电流一经流动,必然在 r 上产生压降,总电压 u0不变,故 l 上压降必然减小。 最终,电流趋于最大值 u 0 / r ,u 0 全部降在 r 上,u l → 0 ,此时,电感相当于短路。电路达到另外一个稳态。 数学求解 t > 0 的电路响应:
运用高等数学中求解一阶线性非齐次方程的一种方法,先求得相应齐次方程的通解: 在 0~∞时间内,l 储备的磁能: