电压和电流呈线性关系的元件称之为线性元件,很明显电容不符合这一点,但是电容是线性元件,因为这里所指的不是直流电路,而是指交流电路。
我们来看下图:
1.先来计算图1各电阻的分压,看看有什么特点。
由于50/(6+9+17)=1.5625其实就是电流。如果我们把电压增加,电流也增加,而且电流增加的比例与电压增加的比例相同,也即du/di=常数。
我们说,这就是线性电路。
2.我们用相量法来计算图2。
注意:这里的相量不是向量,是一种专门用于交流正弦参量的计算方法。此时,图2中的参量是阻抗,其本质是复数,用Z来表示。
注意:电阻的电压与电流相位相同,故电压角度为零;电感的电压超前电流90度,而电容的电压落后电流90度,故前者为<90,后者为<-90。
同理,我们可以计算出电感和电容上的电压,分别是:
我们把这三个电压加在一起,结果等于多少呢?答案是:就是电源电压。
如果我们计算出电流相量,然后用电压相量去除以电流相量,我们会发现它们的比值是复常数,也即总阻抗。同时,我们也会发现:dU/dI=常数。这说明,当我们把电阻、电容和电感看成阻抗时,计算方法与直流电路中一模一样,都是线性的。
3.结论。
对于直流电路,我们有:欧姆定律、叠加原理、戴维南定理、诺顿定理等等;对于交流电路,我们同样有:欧姆定律、叠加原理、戴维南定理、诺顿定理等等。不过,这里的计算用的是相量,并且参量是阻抗。因此,电容及其容抗在交流电路中,被视为线性元件。原来,在相量表达式下,也即在正弦交流电的复数表达方式下,电阻、电容和电感都是线性元件。事实上,我们可以认为:直流电路的线性关系不过是交流电路线性关系的特例而已。提醒:当频率很高时,如果电路的尺寸大于1/4波长,则基尔霍夫定律失效。这时戴维南定理、诺顿定理都失效,只有叠加原理成立。