1.1 基爾霍夫定律是闡明集總參數(shù)電路中流入和流出節(jié)點的各電流間以及沿回路的各段電壓間的約束關(guān)系的定律。1845年由德國物理學(xué)家G.R.基爾霍夫提出。集總參數(shù)電路指電路本身的最大線性尺寸遠(yuǎn)小于電路中電流或電壓的波長的電路,反之則為分布參數(shù)電路?;鶢柣舴蚨砂娏鞫珊碗妷憾?。
1.2 基爾霍夫定律的內(nèi)容:一個輻射體向周圍發(fā)射輻射能時,同時也吸收周圍輻射體所發(fā)射的能量。在平衡輻射狀態(tài)下,該物體的發(fā)射總能量等于它的吸收總能量。輻射體在溫度T、波長為λ的總能量與吸收本領(lǐng)的比值等于處在平衡輻射態(tài)時吸收總能量,它與物體的性質(zhì)無關(guān),而是波長和溫度的普適函數(shù)。
1.3 基爾霍夫定律的結(jié)論:一個發(fā)射本領(lǐng)大的輻射體,它的吸收本領(lǐng)也一定大。當(dāng)吸收系數(shù)為1時,表示物體吸收了全部發(fā)射到它上面輻射能量,是一個理想的輻射體。只有黑體才能夠在任何溫度下及在任何波長上吸收本領(lǐng)恒為1 。一般輻射體的吸收本領(lǐng)總是小于黑體的,即吸收系數(shù)小于1。
2 在基爾霍夫定律中的幾個概念及基爾霍夫定律應(yīng)用的演算:
1.1 支路:一個二端元件視為一條支路,其電流和電壓分別稱為支路電流和支路電壓。下圖所示電路共有6條支路
1.2 結(jié)點:電路元件的連接點稱為結(jié)點。
圖示電路中,a、b、c點是結(jié)點,d點和e點間由理想導(dǎo)線相連,應(yīng)視為一個結(jié)點。該
電路共有4個結(jié)點。
1.3 回路:由支路組成的閉合路徑稱為回路
1.4 網(wǎng)孔:將電路畫在平面上內(nèi)部不含有支路的回路,稱為網(wǎng)孔。
圖示電路中的{1,2}、{2,3,4}和{4,5,6}回路都是網(wǎng)孔
3 基爾霍夫定律的內(nèi)容:
1.1 基爾霍夫電流定律(KCL)
基爾霍夫電流定律又稱節(jié)點電流定律(KCL) 任一集總參數(shù)電路中的任一節(jié)點,在任一瞬間流出(流入)該節(jié)點的所有電流的代數(shù)和恒為零,即就參考方向而言,流出節(jié)點的電流在式中取正號,流入節(jié)點的電流取負(fù)號。基爾霍夫電流定律是電流連續(xù)性和電荷守恒定律在電路中的體現(xiàn)。它可以推廣應(yīng)用于電路的任一假想閉合面。
即對任一節(jié)點有:∑i =0 。
1.2 基爾霍夫電壓定律(KVL)
基爾霍夫電壓定律(KVL)任一集總參數(shù)電路中的任一回路,在任一瞬間沿此回路的各段電壓的代數(shù)和恒為零,即電壓的參考方向與回路的繞行方向相同時,該電壓在式中取正號,否則取負(fù)號?;鶢柣舴螂妷憾墒请娢粏沃敌院湍芰渴睾愣稍陔娐分械捏w現(xiàn)。它可推廣應(yīng)用于假想的回路中。
即對任一閉合回路有:∑u =0 。
4 基爾霍夫定律的應(yīng)用:
KVL可以從由支路組成的回路,推廣到任一閉合的結(jié)點序列,即在任一時刻,沿任一閉合結(jié)點序列的各段電壓(不一定是支路電壓)的代數(shù)和等于零。對圖l-11電路中閉合結(jié)點序列abca和 abda列出的 KVL方程分別為:
4.1 KVL定律的一個重要應(yīng)用是:
4.2 根據(jù)電路中已知的某些支路電壓,求出另外一些支路電壓,即
集總參數(shù)電路中任一支路電壓等于與其處于同一回路(或閉合路徑)的其余支路電壓的代數(shù)和,即
由支路組成的回路可以視為閉合結(jié)點序列的特殊情況。沿電路任一閉合路徑(回路或閉合結(jié)點序列)各段電壓代數(shù)和等于零,意味著單位正電荷沿任一閉合路徑移動時能量不能改變,這表明KVL是能量守恒定律的體現(xiàn)。
綜上所述,可以看到:
4.2.1 KCL對電路中任一結(jié)點(或封閉面)的各支路電流施加了線性約束。
4.2.2 KVL對電路中任一回路(或閉合結(jié)點序列)的各支路電壓施加了線性約束。
4.2.3 KCL和KVL適用于任何集總參數(shù)電路、與電路元件的性質(zhì)無關(guān)。
KCL不僅適用于結(jié)點,也適用于任何假想的封閉面,即流出任一封閉面的全部支
路電流的代數(shù)和等于零。例如對圖示電路中虛線表示的封閉面,寫出的KCL方程
結(jié)點的 KCL方程可以視為封閉面只包圍一個結(jié)點的特殊情況。根據(jù)封閉面 KCL對支路電流的約束關(guān)系可以得到:流出(或流入)封閉面的某支路電流,等于流入(或流出)該封閉面的其余支路電流的代數(shù)和。由此可以斷言:當(dāng)兩個單獨的電路只用一條導(dǎo)線相連接時(圖l-10),此導(dǎo)線中的電流必定為零。
在任一時刻,流入任一結(jié)點(或封閉面)全部支路電流的代數(shù)和等于零,意味著由全部支路電流帶入結(jié)點(或封閉面)內(nèi)的總電荷量為零,這說明KCL是電荷守恒定律的體現(xiàn)
5 在解題方法上的應(yīng)用
以圖1所示電路為例:來說明基爾霍夫定律在幾種解題方法上的應(yīng)用,此電路有4個節(jié)點,三個網(wǎng)孔,6條支路。
5.2 回路電流法:
根據(jù)電路列出方程:
E1=IⅠ(r1+R1+R2)+I(xiàn)ⅡR1+I(xiàn)ⅢR2
E2–E3=I1R1+I(xiàn)Ⅱ(r2+ r3+R1)-IⅡ×r3(電壓定律)
E3=IⅠR2- IⅡ×r3+ IⅢ(r3+R2+R3)
以上為3個方程,聯(lián)立求解,得出三個電流IⅠ、IⅡ、IⅢ,這三個電流分別為IⅠ= I1,IⅡ= I2,IⅢ= I6,然后應(yīng)用電流定律可求出另外三個電流。
5.3 節(jié)點電壓定律:
根據(jù)電路設(shè)a點為參考節(jié)點,列出方程:
Uao(1/r1+1/r2+1/R1)-Ubo1/R1-Uco1/r1=E2/r2+E1/r1
-Uao1/R1+Ubo(1/R1+1/R2+1/r3)-Uco1/R2=E3/r3(電流定律)
-Uao1/r1-Ubo1/R2+Uco(1/r1+1/R2+1/R3)=-E1/r1
聯(lián)立求解方程得節(jié)點電壓Uao、Ubo、Uco,然后根據(jù)電壓定律求出各知路電流