基尔霍夫第一定律

基尔霍夫第一定律

电学定律
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。
  • 中文名:基尔霍夫定律
  • 外文名:Kirchhoff's law
  • 别名:KCL KVL
  • 表达式:
  • 提出者:G.R.基尔霍夫
  • 适用领域:电路基础

定理定义

基尔霍夫电流定律又称为基尔霍夫第一定律,表明:

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。

验证推导

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。

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 k 的电荷,t 是检验时间, t'是积分时间变量。

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, q 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:

定理推广

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。

发展简史

基尔霍夫定律(Kirchhoff laws)是电路中电压和电流所遵循的基本规律,是分析和计算较为复杂电路的基础,1845年由德国物理学家G.R.基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff,1824~1887)提出。基尔霍夫(电路)定律包括基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)。

定理意义

基尔霍夫(电路)定律既可以用于直流电路的分析,也可以用于交流电路的分析,还可以用于含有电子元件的非线性电路的分析。

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