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基爾霍夫電路定律

作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2011-3-26

基爾霍夫電路定律(Kirchhoff Circuit Laws)簡稱為基爾霍夫定律,指的是兩條電路學定律,基爾霍夫電流定律與基爾霍夫電壓定律。它們涉及了電荷的守恒及電勢的保守性。1845年,古斯塔夫·基爾霍夫首先提出基爾霍夫電路定律。現在,這定律被廣泛地應用于電機工程學。

從麥克斯韋方程組可以推導出基爾霍夫電路定律。但是,基爾霍夫并不是依循這條思路發展,而是從格奧爾格·歐姆的工作成果加以推廣得之。

所有進入某節點的電流的總和等于所有離開這節點的電流的總和。

 

所有進入節點的電流的總和等于所有離開這節點的電流的總和。對于本圖案例,i1 + i4 = i2 + i3

以方程表達,對于電路的任意節點,

\sum_{k=1}^n i_k =0

其中,ik 是第 k 個進入或離開這節點的電流,是流過與這節點相連接的第 k 個支路的電流,可以是實數或復數。

基爾霍夫電流定律又稱為基爾霍夫第一定律。由于累積的電荷(單位為庫侖)是電流(單位為安培)與時間(單位為秒)的乘積,從電荷守恒定律可以推導出這條定律。

[編輯] 導引

思考電路的某節點,跟這節點相連接有 n 個支路。假設進入這節點的電流為正值,離開這節點的電流為負值,則經過這節點的總電流 i 等于流過支路 k 的電流 ik 的代數和:

i=\sum_{k=1}^n i_k

將這方程積分于時間,可以得到累積于這節點的電荷的方程:

q=\sum_{k=1}^n q_k

其中,q=\int_0^t i(t') \mathrmogsuowut' 是累積于這節點的總電荷,q_k=\int_0^t i_k(t') \mathrmusqkukct' 是流過支路 k 的電荷,t 是檢驗時間,t' 是積分時間變量。

假設 q > 0 ,則正電荷會累積于節點;否則,負電荷會累積于節點。根據電荷守恒定律, q 是個常數,不能夠隨著時間演進而改變。由于這節點是個導體,不能儲存任何電荷。所以,q = 0i = 0 ,基爾霍夫電流定律成立:

\sum_{k=1}^n i_k =0

[編輯] 含時電荷密度

從上述推導可以看到,只有當電荷量為常數時,基爾霍夫電流定律才會成立。通常,這不是個問題,因為靜電力相斥作用,會阻止任何正電荷或負電荷隨時間演進而累積于節點,大多時候,節點的凈電荷是零。

不過,電容器的兩會導板可能會允許正電荷或負電荷的累積。這是因為電容器的兩塊導板之間的空隙,會阻止分別累積于兩塊導板的異性電荷相遇,從而互相抵消。對于這狀況,流向其中任何一塊導板的電流總和等于電荷累積的速率,而不是零。但是,若將位移電流 \mathbf{J}_D 納入考慮,則基爾霍夫電流定律依然有效。詳盡細節,請參閱條目位移電流。只有當應用基爾霍夫電流定律于電容器內部的導板時,才需要這樣思考。若應用于電路分析(circuit analysis)時,電容器可以視為一個整體元件,凈電荷是零,所以原先的電流定律仍適用。

由更技術性的層面來說,取散度于麥克斯韋修正的安培定律,然后與高斯定律相結合,即可得到基爾霍夫電流定律:

\nabla \cdot \mathbf{J} = -\epsilon_0\nabla \cdot \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} = -\frac{\partial \rho}{\partial t}

其中,\mathbf{J} 是電流密度,ε0 是電常數,\mathbf{E} 是電場,ρ 是電荷密度。

這是電荷守恒的微分方程。以積分的形式表述,從封閉表面流出的電流等于在這封閉表面內部的電荷 Q 的流失率:

\oint_{\mathbb{S}}\mathbf{J}\cdot \mathrmcimysgw\mathbf{a} = -\frac{ \mathrmgoccoeu Q}{ \mathrmouycwmi t}

基爾霍夫電流定律等價于電流的散度是零的論述。對于不含時電荷密度 ρ ,這定律成立。對于含時電荷密度,則必需將位移電流納入考慮。

Tags:基爾霍夫,電路定律  
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