基尔霍夫定律的讨论

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  一、基尔霍夫的生平 G.R.Gustav Robert Kirchhoff (1824~1887)德国物理学家、化学家和天文学家。他于1845年提出基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电路定律, 发展了欧姆定律,对电路理论有重大贡献。1858年提出基尔霍夫辐射定律。1859年发明分光仪,与化学家R.W.本生共同创立了光谱分析法,并用此法发 现了元素铯(1860)和铷(1861)。他并将光谱分析应用于太阳的组成上。他将太阳光谱与地球上的几十种元素的光谱加以比较,从而发现太阳上有许多地球上常见的元素,如钠、镁、铜、锌、钡、镍等。基尔霍夫著有《理论物理学讲义》(1876~1894)和《光谱化学分析》(1895年与R.W.本生合著)等。
  二、基尔霍夫第一定律 汇于节点的各支路电流的代数和等于零,用公式表示为: ∑I=0 又被称作基尔霍夫电流定律(KCL)。基尔霍夫第一定律的理论基础是稳恒电流下的电荷守恒定律。应用时,若规定流出节点的电流为正,则流向节点的电流为负。由此列出的方程叫做节点电流方程。 假设A节点连接着4条支路,那么我们就可以把这四条支路的电流设出来,I1,I2,I3,I4。设流入为正,流出为负,那么总有:I1+I2+I3+I4=0。对于一个有n个节点的电路,可以列出n-1个独立的方程,组成基尔霍夫第一方程组。
  对基尔霍夫电流定律的讨论
  1、基尔霍夫电流定律是电荷守恒法则运用于集总电路的结果
  电荷守恒的意思是:电荷既不能创生也不能消灭。对于集总电路中的任一节点,在某一时刻,流进该节点的电流代数和为Σi (t),即:dq / dt=Zi k(t)(其中q为节点处的电荷)。而节点只是理想导体的汇合点,不可能积累电荷,电荷既不能创生,也不能消灭,因而节点处的dq / dt必须为零,即得: Σi (t)=0(式中i (t)为流出或流人节点的第K条支路的电流,K为节点处的支路数)。
  2、节点电流的线性相关与线性无关
  当流过某一个节点的一组电流满足KCL方程时,这一组电流就是线性相关的,否则是线性无关的,
  3、KCL的推广
  KCL不仅对一个节点适用,它可推广到任意一部分电路上。假想将一部分电路用一闭合面围起来, 由于流人每一元件的电流等于流出该元件的电流,因此,每一元件存贮的净电荷也为零,所以整个闭合面内存贮的总净电荷为零。于是得KCL的另一种表述:流人或流出封闭面电流的代数和为零。同时说明,不论电路中的元件如何,只要是集总电路,KCL就总是成立的,即KCL与电路元件的性质无关。
  三、基尔霍夫第二定律
  沿任意回路环绕一周回到出发点,电动势的代数和等于回路各支路电阻(包括电源的内阻在内)和支路电流的乘积(即电压的代数和)。用公式表示为: ∑E=∑RI 又被称作基尔霍夫电压定律(KVL)。基尔霍夫第二定律的理论基础是稳恒电场条件下的电压环路定理,即:沿回路环绕一周回到出发点,电位降为零。电流及电动势的符号规则是:人已选定一绕行方向,电流方向与绕行方向相同时电动势符号为正,反之为负。由此列出的方程叫做回路电压方程。例如在一个简单的回路ABCD上有一个电源E,内阻为r,分别有R1,R2,R3三个电阻。选择绕行方向为顺时针,在这个简单的电路中只有一个回路,所以电流都是I。那么有: Ir+ I R1+ I R2+ I R3=E 其实在更为一般的电路中一个回路的各个边上的电流并不一定相等,但是仍然可以将各个边上的电流设出来(如果未知的话,可以计算出来的就不要设了,表示一下就可以。),用同样的方法进行计算。
  基尔霍夫电路定律的应用
  当电路中各电动势及电阻给定时,可任意标定电流方向,根据基尔霍夫方程组即可唯一的解出支路的电流值。基尔霍夫定律是电路计算的理论基础,根据基尔霍夫定律可以导出其他一些有用的定理:例如网孔电流定理,回路电流定理,节点电压定理等等,这些定理给电路计算带来了很大的方便,是电路分析和计算的有效工具。基尔霍夫定律在稳恒条件下是严格成立的,在准稳恒条件下,即整个电路的尺度远远小于电路工作频率下的电磁波长时,基尔霍夫定律也符合得很好。在交流电中,基尔霍夫定律和向量法、拉普拉斯变换(Laplace Transform)的结合使用,可以让交流电路如同稳恒电路一样大大简化。
  1、基尔霍夫电压定律是能量守恒法则运用于电路的结果
  能量守恒的意思是:若在某时间内的电路中某些元件得到的能量有所增加,则它的另一些元件的 能量必须有所减少,一定保持能量的收支平衡。这一情况对电压间的关系有很大的影响。如知,沿这三个回路各支路的电压降的代数和为零。同理,对任一集总电路,若元件有K个,得:对于任一集总电路中的任一回路,在任一时刻,沿着该回路的所有支路电压降的代数和为零,即:ΣUk=0,这就是 KVL。
  四、总结
  对于 KCL :
  1、是守恒律的体现,守恒量是电荷,电流是电荷的运动形成的,KCL正好体现了这一无法证明的守恒定律;
  2、 无论是抽象出来的电路结点甚至凭空想象的包围曲面,流入量等于流出量,不是平衡是什么? 而且是一种动态平衡(active balance)否则结点内或者曲面内有电荷源,这个是不可能的;
  3、 不妨将电流看作矢量,将一个结点或者一个想象的曲面都看作是一個曲面S包围着结点( 1个或者多个),这个是电流"矢量"关于这个曲面 S的通量,表示了穿入和穿出闭合曲面S 的代数和,如果 0 ,表示曲面内有通量源,
  4、 所以,基尔霍夫电流定律突出了一个连续性,电流值之连续性,如同在小河中矗立一块巨石,石将水分为二股,而水过石后合二为一,水流和水量都不变,也体现了 连续性,其实有着深刻的哲学思想
  5、也是集总元件的特性的体现
  对于 KVL :
  1、 体现了电压与路径无关;
  2、 也是集总元件的特性,两点无论从哪一条路径看进去或者从不同路径的计算,都是相同的电压量,也就是说两点之间的电压是单值量;
  3、 对于一个回路,不妨将电压量也看作是矢量, 为电压眼遮盖回路的环量,体现了旋度的含义,若旋度为0,为保守场,也就是体现了和路径无关的概念。
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