流定律支路电流法,基尔霍夫定律

  • 日期:2020-03-16 12:08
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一、支路电流法

 

什么是支路电流法

 

支路电流法是在计算复杂电路的各种方法中的一种最基本的方法。它通过应用基尔霍夫电流定律和电压定律分别对结点和回路列出所需要的方程组,而后解出各未知支路电流。

它是计算复杂电路的方法中,最直接最直观的方法·前提是,选择好电流的参考方向·

支路电流分析法是以电路中的各支路电流为未知量,直接应用KCLKVL来列出支路电流的方程,然后从所列方程中解出各支路电流。

步骤

 

用支路电流法计算电路的具体步骤是:

 

1)首先在电路图中标出各支路的电流的参考方向。

 

2)列写KCL方程。一般来说,对具有n个节点的电路运用基尔霍夫电流定律只能得到(n-1)个独立的KCL方程。

 

3)列写独立的KVL方程。独立的KVL方程数为单孔回路的数目:b-n-1)。

 

4)联立所有列写的方程,即可求解出各支路电流,进而求解电路中其他电压、功率等。

 

对于线性电路,应用支路电流法时,电路内不能含有压控元件构成的支路。因为这种支路的电压无法通过电流来表达,从而也就无法从KVL方程中消去该支路的电压。另外,当遇到电路(不管是线性还是非线性)含仅由独立电流源构成的支路时,最好使用电源转移法将该电流源进行转移(见电路变换)以后,再用支路电流法进行计算。算法特点

优点:直观,所求就是支路电流。

 

缺点:当支路数目较多时,变量多,求解过程麻烦,不宜于手工计算。

 

 

 

 

 

二、基尔霍夫电流定律

 

定义

基尔霍夫电流定律表明:

 

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,更详细描述为:

 

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满足:

 

 

 

 

 

 

 

其中,ik 是第 k 个进入或离开这节点的电流,是流过与这节点相连接的第 k 个支路的电流,可以是实数或复数。[4]

 

 

 

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 n 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 i 等于流过支路 k 的电流ik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,t0 是检验时间,t 是积分时间变量。

 

 

 

假设 q>0 ,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,q=0 i=0 ,基尔霍夫电流定律成立:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

含时电荷密度

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。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元件,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:

 

 

 

其中,J 是电流密度,

 

 

 

是电常数,E 是电场,ρ 是电荷密度。

 

 

 

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 Q 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,该定律成立。对于含时电荷密度,则必需将位移电流纳入考虑。

 

 

 

 

 

三、基尔霍夫电压定律

 

定义

基尔霍夫电压定律表明:

 

沿着闭合回路所有元件两端的电势差(电压)的代数和等于零。

 

或者描述为:

 

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有:

 

 

 

 

 

 

 

其中,m 是这闭合回路的元件数目,vk 是元件两端的电压,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。[2]

 

 

 

电场与电势

在静电学里,电势定义为电场的负线积分:

 

 

 

其中,Φ(r) 是电势,E 是电场,L 是从参考位置到位置 r 的路径,dl 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,C 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 C 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 C 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。

 

 

 

实际应用方法

应用该方程时,应先在回路中选定一个绕行方向作为参考,则电动势与电流的正负号就可规定如下: 电动势的方向 (由负极指向正极)与绕行方向一致时取正号,反之取负号; 同样,电流的方向与绕行方向一致时取正号,反之取负号。例如,用此规定可将回路(如图2)的基尔霍夫电压方程写成:

 

-E1+E2=-I1R1+I2R2+I3R3-I4R4

 

2 电路中的回路

 

每个闭合回路均可列出一个方程。如果某回路至少有一个支路未被其他方程用过,则称此回路为独立回路。对于存在M个独立回路的电路,可以列出M个独立的回路电压方程,它们组成的方程组称为基尔霍夫第二方程组。

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