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(xué)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(xiàn)在,這定律被廣泛地應(yīng)用于電機(jī)工程學(xué)。
從麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)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(fā)展,而是從格奧爾格·歐姆的工作成果加以推廣得之。
所有進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流的總和等于所有離開這節(jié)點(diǎn)的電流的總和。
所有進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的電流的總和等于所有離開這節(jié)點(diǎn)的電流的總和。對于本圖案例,i1 + i4 = i2 + i3 。
以方程表達(dá),對于電路的任意節(jié)點(diǎn),
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其中,ik 是第 k 個進(jìn)入或離開這節(jié)點(diǎn)的電流,是流過與這節(jié)點(diǎn)相連接的第 k 個支路的電流,可以是實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)。
基爾霍夫電流定律又稱為基爾霍夫第一定律。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(dǎo)出這條定律。
[編輯] 導(dǎo)引
思考電路的某節(jié)點(diǎn),跟這節(jié)點(diǎn)相連接有 n 個支路。假設(shè)進(jìn)入這節(jié)點(diǎn)的電流為正值,離開這節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)值,則經(jīng)過這節(jié)點(diǎn)的總電流 i 等于流過支路 k 的電流 ik 的代數(shù)和:
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將這方程積分于時間,可以得到累積于這節(jié)點(diǎn)的電荷的方程:
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其中, 是累積于這節(jié)點(diǎn)的總電荷,
是流過支路 k 的電荷,t 是檢驗(yàn)時間,t' 是積分時間變量。
假設(shè) q > 0 ,則正電荷會累積于節(jié)點(diǎn);否則,負(fù)電荷會累積于節(jié)點(diǎn)。根據(jù)電荷守恒定律, q 是個常數(shù),不能夠隨著時間演進(jìn)而改變。由于這節(jié)點(diǎn)是個導(dǎo)體,不能儲存任何電荷。所以,q = 0 、i = 0 ,基爾霍夫電流定律成立:
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[編輯] 含時電荷密度
從上述推導(dǎo)可以看到,只有當(dāng)電荷量為常數(shù)時,基爾霍夫電流定律才會成立。通常,這不是個問題,因?yàn)殪o電力相斥作用,會阻止任何正電荷或負(fù)電荷隨時間演進(jìn)而累積于節(jié)點(diǎn),大多時候,節(jié)點(diǎn)的凈電荷是零。
不過,電容器的兩會導(dǎo)板可能會允許正電荷或負(fù)電荷的累積。這是因?yàn)殡娙萜鞯膬蓧K導(dǎo)板之間的空隙,會阻止分別累積于兩塊導(dǎo)板的異性電荷相遇,從而互相抵消。對于這狀況,流向其中任何一塊導(dǎo)板的電流總和等于電荷累積的速率,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(xì)節(jié),請參閱條目位移電流。只有當(dāng)應(yīng)用基爾霍夫電流定律于電容器內(nèi)部的導(dǎo)板時,才需要這樣思考。若應(yīng)用于電路分析(circuit analysis)時,電容器可以視為一個整體元件,凈電荷是零,所以原先的電流定律仍適用。
由更技術(shù)性的層面來說,取散度于麥克斯韋修正的安培定律,然后與高斯定律相結(jié)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(shù),
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,從封閉表面流出的電流等于在這封閉表面內(nèi)部的電荷 Q 的流失率:
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基爾霍夫電流定律等價于電流的散度是零的論述。對于不含時電荷密度 ρ ,這定律成立。對于含時電荷密度,則必需將位移電流納入考慮。