基尔霍夫电路定律
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基尔霍夫电路定律(Kirchhoff Circuit Laws)简称为基尔霍夫定律,指的是两条电路学定律,基尔霍夫电流定律与基尔霍夫电压定律。它们涉及了电荷的守恒及电势的保守性。1845年,古斯塔夫·基尔霍夫首先提出基尔霍夫电路定律。现在,这定律被广泛地应用于电气工程学。
从麦克斯韦方程组可以推导出基尔霍夫电路定律。但是,基尔霍夫并不是依循这条思路发展,而是从格奥尔格·欧姆的工作成果加以推广得之。
基尔霍夫电流定律
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基尔霍夫电流定律又称为基尔霍夫第一定律,表明[1]:
所有进入某节点的电流的总和等于所有离开这节点的电流的总和。
或者,更详细描述,
假设进入某节点的电流为正值,离开这节点的电流为负值,则所有涉及这节点的电流的代数和等于零。
以方程表达,对于电路的任意节点,
- ;
其中, 是第 个进入或离开这节点的电流,是流过与这节点相连接的第 个支路的电流,可以是实数或复数。
由于累积的电荷(单位为库仑)是电流(单位为安培)与时间(单位为秒)的乘积,从电荷守恒定律可以推导出这条定律。其实质是稳恒电流的连续性方程,即根据电荷守恒定律,流向节点的电流之和等于流出节点的电流之和。[2]
导引
[编辑]思考电路的某节点,跟这节点相连接有 个支路。假设进入这节点的电流为正值,离开这节点的电流为负值,则经过这节点的总电流 等于流过支路 的电流 的代数和:
- 。
将这方程积分于时间,可以得到累积于这节点的电荷的方程:
- ;
其中, 是累积于这节点的总电荷, 是流过支路 的电荷, 是检验时间, 是积分时间变数。
假设 ,则正电荷会累积于节点;否则,负电荷会累积于节点。根据电荷守恒定律, 是个常数,不能够随着时间演进而改变。由于这节点是个导体,不能储存任何电荷。所以, 、 ,基尔霍夫电流定律成立:
- 。
含时电荷密度
[编辑]从上述推导可以看到,只有当电荷量为常数时,基尔霍夫电流定律才会成立。通常,这不是个问题,因为静电力相斥作用,会阻止任何正电荷或负电荷随时间演进而累积于节点,大多时候,节点的净电荷是零。
不过,电容器的两块导板可能会允许正电荷或负电荷的累积。这是因为电容器的两块导板之间的空隙,会阻止分别累积于两块导板的异性电荷相遇,从而互相抵消。对于这状况,流向其中任何一块导板的电流总和等于电荷累积的速率,而不是零。但是,若将位移电流 纳入考虑,则基尔霍夫电流定律依然有效。详尽细节,请参阅条目位移电流。只有当应用基尔霍夫电流定律于电容器内部的导板时,才需要这样思考。若应用于电路分析(circuit analysis)时,电容器可以视为一个整体器件,净电荷是零,所以原先的电流定律仍适用。
由更技术性的层面来说,取散度于麦克斯韦修正的安培定律,然后与高斯定律相结合,即可得到基尔霍夫电流定律:
- ;
这是电荷守恒的微分方程。以积分的形式表述,从封闭表面流出的电流等于在这封闭表面内部的电荷 的流失率:
- 。
基尔霍夫电流定律等价于电流的散度是零的论述。对于不含时电荷密度 ,这定律成立。对于含时电荷密度,则必需将位移电流纳入考虑。
应用
[编辑]以矩阵表达的基尔霍夫电流定律是众多电路模拟软件(electronic circuit simulation)的理论基础,例如,SPICE或NI Multisim。
基尔霍夫电压定律
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基尔霍夫电压定律又称为基尔霍夫第二定律,表明[1]:
沿着闭合回路所有器件两端的电势差(电压)的代数和等于零。
或者,换句话说,
沿着闭合回路的所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和。
以方程表达,对于电路的任意闭合回路,
- ;
其中, 是这闭合回路的器件数目, 是器件两端的电压,可以是实数或复数。
基尔霍夫电压定律不仅应用于闭合回路,也可以把它推广应用于回路的部分电路。[需要解释]
电场与电势
[编辑]- ;
其中, 是电势, 是电场, 是从参考位置到位置 的路径, 是这路径的微小线元素。
那么,基尔霍夫电压定律可以等价表达为:
- ;
其中, 是积分的闭合回路。
这方程乃是法拉第电磁感应定律对于一个特殊状况的简化版本。假设通过闭合回路 的磁通量为常数,则这方程成立。
这方程指明,电场沿着闭合回路 的线积分为零。将这线积分切割为几段支路,就可以分别计算每一段支路的电压。
理论限制
[编辑]由于含时电流会产生含时磁场,通过闭合回路 的磁通量是时间的函数,根据法拉第电磁感应定律,会有电动势 出现于闭合回路 。所以,电场沿着闭合回路 的线积分不等于零。这是因为电流会将能量传递给磁场;反之亦然,磁场亦会将能量传递给电流。
对于含有电感器的电路,必需将基尔霍夫电压定律加以修正。由于含时电流的作用,电路的每一个电感器都会产生对应的电动势 。必需将这电动势纳入基尔霍夫电压定律,才能求得正确答案。
频域
[编辑]思考单频率交流电路的任意节点,应用基尔霍夫电流定律
- ;
其中, 是第 个进入或离开这节点的电流, 是其振幅, 是其相位, 是角频率, 是时间。
对于任意时间,这方程成立。所以,设定相量 ,则可以得到频域的基尔霍夫电流定律,以方程表达,
- 。
频域的基尔霍夫电流定律表明:
所有进入或离开节点的电流相量的代数和等于零。
这是节点分析的基础定律。
类似地,对于交流电路的任意闭合回路,频域的基尔霍夫电压定律表明:
沿着闭合回路所有器件两端的电压相量的代数和等于零。
以方程表达,
- ;
其中, 是闭合回路的器件两端的电压相量。
这是网目分析(mesh analysis)的基础定律。
参见
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参考
[编辑]- ^ 1.0 1.1 Alexander, Charles; Sadiku, Matthew, Fundamentals of Electric Circuits 3, revised, McGraw-Hill: pp. 37–43, 2006, ISBN 9780073301150
- ^ 普通物理学(修订版)(化学数学专业用).汪昭义 主编.华东师范大学出版社.P320.9.3 基尔霍夫定律.ISBN 978-8-5617-0444-8
- Paul, Clayton R. Fundamentals of Electric Circuit Analysis. John Wiley & Sons. 2001. ISBN 978-0-471-37195-3.
- Serway, Raymond A.; Jewett, John W. Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. 2004. ISBN 978-0-534-40842-8.
- Tipler, Paul. Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). W. H. Freeman. 2004. ISBN 978-0-7167-0810-0.
外部链接
[编辑]- 麻省理工学院电气工程系视听教学:基尔霍夫定律 (页面存档备份,存于互联网档案馆)。
- 国立交通大学物理系视听教学:电子学[永久失效链接]。
- Kirchhoff's circuit laws on Khan Academy
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