3·43

为什么任何线性网络都是直线

上面的例子是算出来恰好是直线。对任意线性网络都成立的理由如下。这段推导是我补的,讲义只陈述了定理;用到的两块都是课上讲过的:第 8 讲的叠加定理 (superposition) 和第 9 讲 24:00 的替代定理 (substitution)。

  1. 外面接什么都无所谓。用替代定理把外部负载换成一个电流源,大小正好是端口电流 ii(从 a 流出)。
  2. 现在网络里的激励 = 内部所有独立源 + 这个"测试电流源"。网络是线性的,所以可以叠加: v=v∣只留内部源, i=0⏟第一项  +  v∣内部独立源置零, 只留 i⏟第二项v = \underbrace{v\big|_{\text{只留内部源},\ i=0}}_{\text{第一项}} \;+\; \underbrace{v\big|_{\text{内部独立源置零},\ \text{只留 } i}}_{\text{第二项}}
  3. 第一项:i=0i = 0 就是开路,所以它就是 VocV_{oc}。
  4. 第二项:内部只剩电阻和受控源,响应正比于 ii,比例系数记作 −Rth-R_{th}。
v=Voc−Rth iv = V_{oc} - R_{th}\, i

对照上面的例子:第一项是 24 V 单独作用、端口开路时的 12 V;第二项是 24 V 短路后,从端口抽 ii 时 4∥4=2 Ω4 \parallel 4 = 2\,\Omega 上的 −2i-2i。

所以 Vth=VocV_{th} = V_{oc} 不是凭空规定的,它是叠加里"负载电流为零"的那一项;RthR_{th} 是"内部独立源全关掉"那一项的斜率。这也解释了求 RthR_{th} 的规则:独立源置零,因为它们属于第一项;受控源保留,因为它们是第二项里的"系统"本身(第 8 讲:受控源属于系统矩阵)。

线性买来的是压缩

非线性一端口(比如第 3、7 讲的二极管网络)照样被 i-v 完全刻画,第 2 章那句话照样成立。但它的曲线是弯的或分段的,得给出整条曲线。线性把"无穷多个点"压缩成"两个数",戴维南定理说的就是这件事。