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电路理念/使用类比理解电路

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什么是类比?

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我们从出生那天起就开始学习。以这种方式,在我们童年的早期,我们积累了我们世界可见(机械、液压、气动、社会等)现象的生命知识。但是这个世界如此有趣,以至于表面上不同的现象遵循相同的规律;他们是类比的。

那么,为什么我们不使用联想作为教育支柱,将关于可见世界现象的常识传达给看不见的抽象电现象?因此,它们将看起来很熟悉、初级且易于理解。这是因为我们人类开始理解新的不熟悉的事物,当我们开始在其中辨别出一些熟悉的事物时。我们只是将新的复杂事物视为由一些更简单的、众所周知的组件组成。以下是一些应用类比的例子。

真实的类比

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闭环流体类比

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人类对欧姆基本电路的最早表示之一是流体类比(也称为“鱼缸”)——在封闭管道中的压力 P 作用下,流速为 I 的流体电流在其路径阻力 R 上相遇。在这种类比中,电压源由一个保持恒定压力的压缩机表示(就像那些为气动仪器提供动力的压缩机一样)。

图 1. 欧姆基本电路——液压类比。

使用更复杂的流体类比,我们可以说明一个无源电压加法器的电路,我们将其用作带负反馈的运算放大器电路中的减法器和比较器。如果是双输入,则包含两个压力源。

图 2. 无源电压加法器的流体类比。

它们的影响在公共点上相加,因此负载上的压力是输入压力的总和。如果这是一个电阻减法器(比较器)的类比,则正输入电压源 V1 可以被认为是一个压缩机,它推动空气并增加公共点的压力。负输入源 V2 被表示为一个压缩机,它吸入空气并在该点产生真空。从比喻意义上讲,这两个压缩机“相互对抗”,如果它们的压力与其各自的空气阻力相关(P2/P1=R2/R1),则公共点的压力等于零。这种现象可以比喻地称为流体虚拟地。

开环流体类比

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除了作为保持恒定压力的压缩机外,电压源还可以表示为一个带有恒定水柱水平的圆柱形容器(左侧)。

图 3. 连通容器作为类比。

在电压减法器的类比中,正输入电压源 V1 将表示放置在地球表面(零级)的容器,而负源 V2 将表示低于地面表面的容器。在某些情况下,公共点的液压压力将再次等于零——这可以称为液压虚拟地。

图 4. 运算放大器电压减法器的液压类比。

机械类比

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最流行的机械类比之一是阿基米德的杠杆,在这个例子中,杠杆同时从两侧操作。当满足等式 h2/h1=l2/l1 时,在公共点获得虚拟机械质量。如果我们对这种类比进行程式化,我们将得到更抽象的几何电压图

同样出名的还有重量类比——机械秤,借助它比较两个重量。当满足等式 P2/P1=l1/l2 时,平衡指针指向虚拟机械地。

图 5. 电气“秤”(机械类比)。

"活" 的类比

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为了显示类比与其对应的电路图之间的联系,我们可以借助计算机在监视器屏幕上“体验”这种类比。为此,我们可以通过模拟数字外设将被测电路连接到运行在适当软件控制下的个人计算机。所研究电路的类比将在屏幕上显示,该类比对电路中的变化作出适当的响应,从而加强与它的联想。

书籍背后的哲学(依赖于人类直觉、想象力和幻想)

网络资源

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电压导致电流介绍了最基本的电路构建模块(Flash 动画;需要Ruffle Flash 模拟器

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