機械與電學振動

RLC 電路(RLC circuit)

/ R-L-C /

RLC 電路是由三個元件接成的迴路:電阻 R(把能量耗散成熱)、電感 L(一個線圈,抵抗電流的變化,把能量儲存在磁場中),以及電容 C(兩塊極板,把能量儲存在電場中)。把它們接成環,給電容一個初始電荷或接上電池,電流就在迴路裡來回擺盪——這是彈簧上重物彈跳的電學雙胞胎。

克希荷夫電壓定律說,迴路一圈的電壓降總和等於外加電壓。用電容上的電荷 q(t) 寫出每個元件的電壓,得到 L q'' + R q' + (1/C) q = E(t)。電感的電壓是 L q''(它抵抗電荷的加速度),電阻的是 R q'(與電流 q' 成正比),電容的是 q/C(電荷堆積越多它越往回推),E(t) 是電源。這與彈簧-質量-阻尼系統是逐項完全相同的二階方程。

因為數學完全相同,每一個關於機械振動的結果都能瞬間搬到電路上,反之亦然。電路有自己的自然振盪頻率,它可以是欠阻尼(電流一邊衰減一邊振盪),也會出現共振——這正是把收音機調到某一電台的原理。研究其一便同時學會兩者,這是這個類比的深層回報。

當 L = 1 H、R = 2 歐姆、C = 0.25 F 且無電源時,電荷滿足 q'' + 2 q' + 4 q = 0;電流振鈴並衰減,與彈簧上的阻尼質量一模一樣。

電感(q'')、電阻(2 q')與電容(4 q)分別扮演質量、阻尼器與彈簧的角色。

許多電路用電流 i = q' 而非電荷來表述;微分一次得到 L i'' + R i' + (1/C) i = E'(t),形式相同,只是強迫項變成電源的導數。兩種描述都正確——選一種並保持一致即可。

又称
series RLC circuitRLC 串聯電路