tex記法とMarkdown記法の練習を兼ねて,図1のRC回路のステップ応答を求めてみる.
コンデンサ$C$に流れる電流$i(t)$は,
$$i(t)=C\frac{dv_o(t)}{dt}$$
と表される.
この式を使って,キルヒホッフの電圧則を表すと,
$$E=RC\frac{dv_o(t)}{dt}+v_o(t)$$
$\mathcal{L}[v_o(t)]=V_o(s)$として,両辺をラプラス変換すると,
$$\frac{E}{s}=RC[sV_o(s)-v_o(0)]+V_o(s)$$
コンデンサの初期電荷はないものとして(すなわち$v(0)=q(0)/C=0$として),$V_o(s)$について式を整理すると,
\begin{align}
V_o(s)&=\frac{E}{s} \cdot \frac{1}{1+sRC}\\
&=E\left( \frac{1}{s} - \frac{RC}{1+sRC}\right)\\
&=E\left( \frac{1}{s} - \frac{1}{s+\frac{1}{RC}}\right)
\end{align}
逆ラプラス変換で$v_o(t)$を求めると,
$$\therefore v_o(t)=E\left(1-e^{-\frac{1}{RC}t}\right)$$
$i(t)$は$v_o(t)$の時間微分より,
$$\therefore i(t)=C\frac{dv_o(t)}{dt}=\frac{E}{R}e^{-\frac{1}{RC}t}$$
電圧$v_o(t)$と電流$i(t)$を再掲すると,
\begin{align}
v_o(t)&=E\left(1-e^{-\frac{1}{RC}t}\right)\\
i(t)&=\frac{E}{R}e^{-\frac{1}{RC}t}
\end{align}