为什么电容器是线性元件?

电器工程 电容器 基本的 线性的
2022-01-22 06:44:11

为什么电容器是线性器件?

线性的一个特性是电容或某些此类参数不得随电压或电流而变化。这足以使设备线性化吗?

一些消息来源说 \$Q=CU\$ 具有随电压变化的线性特性,因此它是一种线性器件,但在 MOSFET/二极管中不会至少有一个这样的参数会随电压或电流以线性方式 - 例如二极管的电压随温度线性下降。

那么对于线性我应该考虑什么?

4个回答

首先,IV 曲线对电容器没有任何意义。这是因为电容器遵循以下等式: $$i = C \frac{dV}{dt}$$

请注意,电流取决于电压的变化率。因此,如果变化率相同,您可以在两个不同的电压下获得相同的电流。

电容器是线性器件的原因是微分是线性的。叠加变为: $$i_1 +i_2 = \frac{d}{dt}(v_1 + v_2) = \frac{dv_1}{dt} + \frac{dv_2}{dt}$$

你的假设是错误的:

它具有非线性IV特性

理想电容器与理想电阻器一样,具有线性 I/V 特性。

由于您显然正在学习线性电路分析(根据您对叠加原理的了解来判断),我绝对确定您已经学会(或将通过阅读您的课程材料很快学会)关于用复电流表示谐波电流的知识。

通过复杂的电流和电压表示,很容易看出电容器是线性器件。

\begin{align} I(t) &= C\frac {dU(t)}{dt} & \text{基本电容公式}\\ &\text{暗示线性}\\ I_\text{sum} (t) &= C\frac{dU_\text{sum}}{dt}&U_\text{sum} = U_1+U_2\\ &\overset!= C\frac {dU_1(t)}{dt}+C \frac {dU_1(t)}{dt}\\ \end{align} 之所以如此,是因为微分 \$\frac d{dt}\$ 是线性的。

你可能真的只是被“线性”这个术语弄糊涂了。

与线性系统一样,“线性”函数的正式定义是,如果将函数的输入缩放一定量,则输出也会缩放相同的量:

  y = f(x)
  f(Ax) = Ay

请注意,在 F() 内部添加偏移量违反了这一点。

正如您所说,描述电容器的一种方法是 V = Q / C。这表示电容器上的电压与其所保持的电荷成正比,并且比例常数是电容的倒数。用上述线性方程的说法,V = f(Q)。由于 f(Q) = Q/C,应该清楚这个方程是线性的,因为:

  A * Q / C = A * V

对于 A 的任意值。

电容器是线性组件,因为电压和电流作为时间的函数以线性方式相互依赖。

在两个函数(时间)相互关系(而不仅仅是一个时间实例的值)的上下文中,线性意味着叠加原理成立(正如 Neil_UK 所指出的那样)。叠加原理说线性组合的函数等于函数的线性组合,即\$f(ax + by) = af(x) + bf(y)\$。
这不仅适用于乘以常数,而且适用于微分算子和积分算子。

IE

不仅像
\$u(t) = R i(t)\$这样的常数的乘法
是对函数的线性运算,而且是整数和微分:

\$u(t) = \frac{1}{C} \int i(t) dt\$ 和

\$u(t) = L \frac{d}{dt} i(t)\$。

因此,不仅电阻器而且(理想的)电容器和电感器都是线性元件。