基爾霍夫電路定律(Kirchhoff Circuit Laws)簡稱為(wei) 基爾霍夫定律,指的是兩(liang) 條電路學定律,基爾霍夫電流定律與(yu) 基爾霍夫電壓定律。它們(men) 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於(yu) 電機工程學。
從(cong) 麥克斯韋方程組可以推導出基爾霍夫電路定律。但是,基爾霍夫並不是依循這條思路發展,而是從(cong) 格奧爾格·歐姆的工作成果加以推廣得之。
所有進入某節點的電流的總和等於(yu) 所有離開這節點的電流的總和。
所有進入節點的電流的總和等於(yu) 所有離開這節點的電流的總和。對於(yu) 本圖案例,i1 + i4 = i2 + i3 。
以方程表達,對於(yu) 電路的任意節點,
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其中,ik 是第 k 個(ge) 進入或離開這節點的電流,是流過與(yu) 這節點相連接的第 k 個(ge) 支路的電流,可以是實數或複數。
基爾霍夫電流定律又稱為(wei) 基爾霍夫第一定律。由於(yu) 累積的電荷(單位為(wei) 庫侖(lun) )是電流(單位為(wei) 安培)與(yu) 時間(單位為(wei) 秒)的乘積,從(cong) 電荷守恒定律可以推導出這條定律。
[編輯] 導引
思考電路的某節點,跟這節點相連接有 n 個(ge) 支路。假設進入這節點的電流為(wei) 正值,離開這節點的電流為(wei) 負值,則經過這節點的總電流 i 等於(yu) 流過支路 k 的電流 ik 的代數和:
。
將這方程積分於(yu) 時間,可以得到累積於(yu) 這節點的電荷的方程:
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其中, 是累積於(yu) 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 q > 0 ,則正電荷會(hui) 累積於(yu) 節點;否則,負電荷會(hui) 累積於(yu) 節點。根據電荷守恒定律, q 是個(ge) 常數,不能夠隨著時間演進而改變。由於(yu) 這節點是個(ge) 導體(ti) ,不能儲(chu) 存任何電荷。所以,q = 0 、i = 0 ,基爾霍夫電流定律成立:
。
[編輯] 含時電荷密度
從(cong) 上述推導可以看到,隻有當電荷量為(wei) 常數時,基爾霍夫電流定律才會(hui) 成立。通常,這不是個(ge) 問題,因為(wei) 靜電力相斥作用,會(hui) 阻止任何正電荷或負電荷隨時間演進而累積於(yu) 節點,大多時候,節點的淨電荷是零。
不過,電容器的兩(liang) 會(hui) 導板可能會(hui) 允許正電荷或負電荷的累積。這是因為(wei) 電容器的兩(liang) 塊導板之間的空隙,會(hui) 阻止分別累積於(yu) 兩(liang) 塊導板的異性電荷相遇,從(cong) 而互相抵消。對於(yu) 這狀況,流向其中任何一塊導板的電流總和等於(yu) 電荷累積的速率,而不是零。但是,若將位移電流 納入考慮,則基爾霍夫電流定律依然有效。詳盡細節,請參閱條目位移電流。隻有當應用基爾霍夫電流定律於(yu) 電容器內(nei) 部的導板時,才需要這樣思考。若應用於(yu) 電路分析(circuit analysis)時,電容器可以視為(wei) 一個(ge) 整體(ti) 元件,淨電荷是零,所以原先的電流定律仍適用。
由更技術性的層麵來說,取散度於(yu) 麥克斯韋修正的安培定律,然後與(yu) 高斯定律相結合,即可得到基爾霍夫電流定律:
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其中, 是電流密度,ε0 是電常數,
是電場,ρ 是電荷密度。
這是電荷守恒的微分方程。以積分的形式表述,從(cong) 封閉表麵流出的電流等於(yu) 在這封閉表麵內(nei) 部的電荷 Q 的流失率:
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基爾霍夫電流定律等價(jia) 於(yu) 電流的散度是零的論述。對於(yu) 不含時電荷密度 ρ ,這定律成立。對於(yu) 含時電荷密度,則必需將位移電流納入考慮。