基爾霍夫第一定律

基爾霍夫第一定律

電學定律
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氣工程學。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。
  • 中文名:基爾霍夫定律
  • 外文名:Kirchhoff's law
  • 别名:KCL KVL
  • 表達式:
  • 提出者:G.R.基爾霍夫
  • 适用領域:電路基礎

定理定義

基爾霍夫電流定律又稱為基爾霍夫第一定律,表明:

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。

或者,更詳細描述:

假設進入某節點的電流為正值,離開這節點的電流為負值,則所有涉及這節點的電流的代數和等于零。

以方程表達,對于電路的任意節點,

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

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。其實質是穩恒電流的連續性方程,即根據電荷守恒定律,流向節點的電流之和等于流出節點的電流之和。

驗證推導

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。其實質是穩恒電流的連續性方程,即根據電荷守恒定律,流向節點的電流之和等于流出節點的電流之和。

思考電路的某節點,跟這節點相連接有個支路。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等于流過支路的電流的代數和:将這方程積分于時間,可以得到累積于這節點的電荷的方程:其中,是累積于這節點的總電荷,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,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,不能夠随着時間演進而改變。由于這節點是個導體,不能儲存任何電荷。所以,,基爾霍夫電流定律成立:

定理推廣

以矩陣表達的基爾霍夫電流定律是衆多電路模拟軟件(electronic circuit simulation)的理論基礎,例如,SPICE或NI Multisim。

發展簡史

基爾霍夫定律(Kirchhoff laws)是電路中電壓和電流所遵循的基本規律,是分析和計算較為複雜電路的基礎,1845年由德國物理學家G.R.基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhoff,1824~1887)提出。基爾霍夫(電路)定律包括基爾霍夫電流定律(KCL)和基爾霍夫電壓定律(KVL)。

定理意義

基爾霍夫(電路)定律既可以用于直流電路的分析,也可以用于交流電路的分析,還可以用于含有電子元件的非線性電路的分析。

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