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考虑下图所示的 RC 电路,电阻大小为 <math>R</math>,电容量为 <math>C</math>。记左端输入电压为 <math>V_{\text{in}}</math>,电容器两端的电压 <math>V_{C}</math> 为输出电压,电路中的电流为 <math>I</math>。根据[[基尔霍夫定律]],可得下面的方程
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考虑下图所示的 RC 电路,电阻大小为 <math>R</math>,电容量为 <math>C</math>。记左端输入电压为 <math>V_{\text{in}}</math>,电容器两端的电压 <math>V_{C}</math> 为输出电压,电路中的电流为 <math>I</math>。则电容器上的电容量 <math>Q</math> 遵循下面的微分方程
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{{NumBlk|:|
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<math>
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f(Q) = \dot{Q} = -\frac{1}{RC} \cdot Q + \frac{V_{0}}{R},
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</math>
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|{{EquationRef|6}}}}
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[[文件:RC_Series_Filter_(with_V&I_Labels).png|300x500像素|none|缩略图|串联RC电路,左侧为输入电压,电阻值为 R,电容值量为 C,输出电压为电容两端的电压。引自<ref name='wikipedia rc circuit'>https://en.wikipedia.org/wiki/RC_circuit</ref>]]
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===推导过程===
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根据[[基尔霍夫定律]],可得
    
{{NumBlk|:|
 
{{NumBlk|:|
第221行: 第231行:  
\right.  
 
\right.  
 
</math>
 
</math>
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|{{EquationRef|6}}}}
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|{{EquationRef|7}}}}
    
即
 
即
第228行: 第238行:  
V_{\text{in}} = RI + \frac{1}{C}\int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t}.
 
V_{\text{in}} = RI + \frac{1}{C}\int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t}.
 
</math>
 
</math>
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|{{EquationRef|7}}}}
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|{{EquationRef|8}}}}
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[[文件:RC_Series_Filter_(with_V&I_Labels).png|300x500像素|none|缩略图|串联RC电路,左侧为输入电压,电阻值为 R,电容值量为 C,输出电压为电容两端的电压。引自<ref name='wikipedia rc circuit'>https://en.wikipedia.org/wiki/RC_circuit</ref>]]
      
当 <math>V_{\text{in}}</math> 为恒定电压 <math>V_{0}</math> 时,考虑电容 <math>C</math> 上的充电量 <math>Q</math>。有
 
当 <math>V_{\text{in}}</math> 为恒定电压 <math>V_{0}</math> 时,考虑电容 <math>C</math> 上的充电量 <math>Q</math>。有
第238行: 第246行:  
V_{0} = RI + \frac{1}{C} \int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t} \iff V_{0} = R \dot{Q} + \frac{Q}{C}
 
V_{0} = RI + \frac{1}{C} \int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t} \iff V_{0} = R \dot{Q} + \frac{Q}{C}
 
</math>
 
</math>
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|{{EquationRef|8}}}}
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|{{EquationRef|9}}}}
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将式{{EquationNote|(9)}} 中的 <math>\dot{Q}</math> 整理至等式左边,就得到了
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Q(t) = V_{0}C + Ke^{-t/RC},
 
Q(t) = V_{0}C + Ke^{-t/RC},
 
</math>
 
</math>
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|{{EquationRef|9}}}}
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|{{EquationRef|10}}}}
 
如果要求初始时刻电容器上电荷为零,即 <math>Q(0) = 0</math>,则有 <math>K = -V_{0}C</math>,即
 
如果要求初始时刻电容器上电荷为零,即 <math>Q(0) = 0</math>,则有 <math>K = -V_{0}C</math>,即
 
{{NumBlk|:|
 
{{NumBlk|:|
第254行: 第264行:  
Q(t) = V_{0}C(1 - e^{-t/RC}),
 
Q(t) = V_{0}C(1 - e^{-t/RC}),
 
</math>
 
</math>
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|{{EquationRef|10}}}}
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|{{EquationRef|11}}}}
 
相应地,也能得到电容器的[[稳态电压]] <math>V_{C}(\infty)</math> 为 <math>V_{0}C</math>,输出电压随时间变化规律为
 
相应地,也能得到电容器的[[稳态电压]] <math>V_{C}(\infty)</math> 为 <math>V_{0}C</math>,输出电压随时间变化规律为
 
<math>
 
<math>
第264行: 第274行:  
===相图视角===
 
===相图视角===
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公式{{EquationNote|(8)}}对应着写成下面的形式:
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公式{{EquationNote|(6)}}对应着如下图所示的RC串联电路系统相图,可见相图中为一截距为正,斜率为负的直线,有一个[[稳定不动点]] <math>Q = V_{0}C</math>。另外,从该函数也可明显的看出上面的结论:当电容初始电量为零时,依该函数,其电量会一直增长,无限趋于[[稳定不动点]]。
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<math>
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f(Q) = \dot{Q} = \frac{V_{0}}{R} - \frac{Q}{RC} = -\frac{1}{RC} \cdot Q + \frac{V_{0}}{R},
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</math>
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该式对应着如下图所示的RC串联电路系统相图,可见相图中为一截距为正,斜率为负的直线,有一个[[稳定不动点]] <math>Q = V_{0}C</math>。另外,从该函数也可明显的看出上面的结论:当电容初始电量为零时,依该函数,其电量会一直增长,无限趋于[[稳定不动点]]。
      
[[File:微信图片_20251231123651_61031_78.png|250px|thumb|none|RC 电路系统的相图。横轴为电容器的电量<math>Q</math>,纵轴为电容器电量的变化率<math>\dot{Q}</math>。该系统的相图为一斜率为负的直线,和横轴的交点为 <math>Q=V_0 C</math>,即为系统的稳定不动点。]]
 
[[File:微信图片_20251231123651_61031_78.png|250px|thumb|none|RC 电路系统的相图。横轴为电容器的电量<math>Q</math>,纵轴为电容器电量的变化率<math>\dot{Q}</math>。该系统的相图为一斜率为负的直线,和横轴的交点为 <math>Q=V_0 C</math>,即为系统的稳定不动点。]]
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==企业生长模型==
 
==企业生长模型==
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