基尔霍夫电压定律

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)。
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。

基尔霍夫定律

运用欧姆定律、串联和并联关系式等分析计算一些简单电路是没有问题的,但对于一些包含两个或两个以上电源的复杂电路,由于无法准确判断电阻之间的连接关系和电流、电压方向,欧姆定律就无能为力了。本节将介绍一个新的定律:基尔霍夫定律。基尔霍夫定律是电路中最基本的定律之一,它包含基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律两个内容,解决了复杂电路的计算问题。

在介绍基尔霍夫定律之前,先来介绍几个有关电路结构的名词,准确理解这些名词对学习基尔霍夫定律是非常重要的。

(图1)

1.支路:由一个或几个元件串联组成的一段没有分支的电路叫做支路。(图1) 中共有(b a f e)、(b c d e)和(b e)三条支路。在一条支路上,通过各个元件的电流相等。

2. 节点:3条或3条以上支路的连接点叫做节点。(图2.1)中共有b和e两个节点。

3. 回路:电路中的任一闭合路径叫做回路。图(图2.1)中共有(a b e f a)、(b c d e b)和(a b c d e f a)三个回路。只有一个回路的电路叫做单回路电路。

4. 网孔:内部没有分支的回路叫做网孔,如图(图2.1)所示,回路(a b e f a)和(b c d e b)中不含支路,是网孔。回路(a b c d e f a)中含有支路(b e),不是网孔。

网孔一定是回路,但回路不一定是网孔。

基尔霍夫电流定律又被称为基尔霍夫第一定律(简称KCL)。它是应用于电路中的节点。

基尔霍夫电流定律指出:对于电路中的任何一个节点而言,在任何一个时间,流进节点的电流等于流出节点的电流;也就是:节点电流之代数和恒等于0(恒的意思是指永远)。用数学公式表示为:

公式

上式表面:在电流的汇合点处,电流的代数和等于零,之所以等于零,是因为习惯上规定:流进节点的电流为正,流出节点的电流为负。

另外,基尔霍夫电流定律也被称为“节点电流定律”,因为他通常应用于节点处。它可以推广到包围这几个节点的闭合面也是适用的。下面笔者画一个图为大家简要讲解一下:

公式

上图中的“节点”的三条线路应用基尔霍夫电流定律来说明,A线路+B线路+C线路的电流恒等于0(永远等于0),图中+到﹣为电流流过的方向,也是电动势(电源)的正负极。

基尔霍夫电压定律也被称为基尔霍夫第二定律,或者回路电压定律(简称KVL)。它主要应用于电路中的回路。定律指出:对于电路中的任一闭合路径而言,在任何一个时间,沿任一回路绕行方向(顺时针方向或逆时针方向),回路中各段电压的代数和恒等于零。用数学式表示为:

公式

上式中,当电压方向与绕行方向一致时取正,相反时则取负。基尔霍夫电压定律不仅应用于闭合回路,也可以推广到假象的闭合回路上应用。

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