今天,我们将了解基尔霍夫的《电路定律》。在详细介绍其理论部分之前,让我们看看它到底是什么。
1845年,德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)描述了电路中电流和电位差(电压)中两个量的关系。这种关系或规则称为基尔霍夫回路定律。
基尔霍夫的电路定律包含两个定律,基尔霍夫的电流定律-与电流在封闭电路中的流动相关,称为KCL,另一个定律是基尔霍夫的电压定律,用于处理电路的电压源,称为基尔霍夫的电压法律或KVL。
基尔霍夫第一定律/ KCL
基尔霍夫的第一定律是“在电路的任何节点(结)处,流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。” 这意味着,如果我们将节点视为水箱,则填充水箱的水流速度等于将水箱排空的水流速度。
因此,在通电情况下,进入节点的电流之和等于离开节点的电流之和。
我们将在下一张图片中更好地理解这一点。
在此图中,有一个结,其中多根导线连接在一起。蓝色电线采购或在节点供给电流和红色电线从节点灌电流。这三个收入者分别是Iin1,Iin2和Iin3,其他流出沉降片分别是Iout1,Iout2和Iout3。
根据定律,此节点上的总流入电流等于三根导线的电流之和(即Iin1 + Iin2 + Iin3),也等于三根导线的电流之和(Iout1 + Iout2 + Iout3 )。
如果将其转换为代数求和, 则进入节点的所有电流的总和与离开节点的电流的总和等于0。对于电流源,电流将为正,对于电流吸收,将为正。电流将为负。所以,
(Iin1 + IIN2 + IIN3)+(-Iout1 + -Iout2 + -Iout3)= 0。这个想法被称为电荷守恒。
基尔霍夫第二定律/ KVL
基尔霍夫的第二定律概念对于电路分析也非常有用。在他的第二定律中规定:“对于闭环串联网络或路径,导体的电阻与导体中的电流乘积的代数和等于零或该环路中可用的总EMF ”。
所有电阻上的电势差或电压(在不存在其他电阻性产品的情况下,导体的电阻)的有向和等于0。
让我们看一下图。
在该图中,4个电阻跨接在电源“ vs”上。电流在闭合网络内部从正极流向负极,并通过电阻沿顺时针方向流动。根据直流电路理论中的欧姆定律,由于电阻和电流之间的关系,每个电阻两端都会有一些电压损耗。如果我们看一下公式,则为V = IR,其中I是流经电阻的电流。在该网络中,每个电阻器上有四个点,第一个点是A,它从电压源提供电流并将电流提供给R1。 B,C和D也会发生相同的情况。
根据KCL的定律,电流进入和电流流出的节点A,B,C,D相同。在这些节点上,流入和流出电流的总和等于0,因为这些节点在灌电流和拉电流之间是公共的。
现在,横跨A和B上的电压降是VAB,B和C是VBC,C和d是vCD中,d和A为VDA。
这些三个潜在的差之和VAB + VBC + VCD,和之间的电位差的电压源(d和A之间)是-vDA。由于顺时针方向的电流流动,电压源反向,因此电压值是负的。
因此,总电位差之和为
vAB + vBC + vCD +(-vDA)= 0
我们要记住的一件事是,每个节点和电阻路径中的电流都应为顺时针方向,否则计算将不准确。
直流电路理论中的常见术语:
现在,我们已经熟悉了基尔霍夫关于电压和电流,KCL和KVL的电路定律,但是正如我们在前面的教程中已经看到的那样,使用欧姆定律,我们可以测量电阻上的电流和电压。但是,在复杂的电路(例如桥和网络)的情况下,仅使用欧姆定律来计算电流和电压降会变得更加复杂。在这些情况下,基尔霍夫定律对于获得完美结果非常有用。
在分析的情况下,很少使用术语来描述电路的各个部分。这些术语如下:
系列:-
平行:-
科:-
电路/电路:-
循环:-
网眼:-
节点:-
交界处:-
路径:-
使用KCL和KVL解决电路的示例:
这是一个两回路电路。在第一个环路中,V1是在R1和R2两端以及第二个环路中提供28V电压的电压源。V2是在R3和R2两端提供7V电压的电压源。这是两个不同的电压源,在两个回路路径上提供不同的电压。在两种情况下,电阻器R2是公共的。我们需要使用KCL和KVL公式计算两个电流i1和i2,并在需要时应用欧姆定律。
让我们为第一个循环计算。
如在之前描述的KVL,即在闭合环路中串联网络路径,所有的电阻器的电势差等于0。
这意味着在顺时针电流流动的情况下,R1,R2和V1两端的电位差等于零。
VR1 + VR2 +(-V1)= 0
让我们找出电阻之间的电位差。
根据欧姆定律,V = IR(I =电流,R =电阻,以欧姆为单位)
VR1 =(i1)x 4 VR1 = 4(i1)
R2在两个回路中通用。因此,流经该电阻的总电流为两个电流之和,因此R2上的I为(i1 + i2)。
所以,
根据欧姆定律,V = IR(I =电流,R =电阻,以欧姆为单位)
VR2 =(i1 + i2)x 2 VR1 = 2 {(i1)+(i2)}
当电流顺时针方向流动时,电势差为负,因此为-28V。
因此,按照KVL
VR1 + VR2 +(-V1)= 0 VR1 + VR2 +(-V1)= 0 4(i1)+ 2 {(i1)+(i2)}-28 =
4(i1)+ 2(i1)+ 2(i2)– 28 = 0 6(il)+ 2(i2)= 28……………………..等式1
让我们计算第二个循环。
在这种情况下,电流沿逆时针方向流动。
与前一个相同,在顺时针方向流动的情况下,R3,R2和V2两端的电位差等于零。
VR3 + VR2 + V1 = 0
让我们找出这些电阻之间的电位差。
由于逆时针方向,它将为负。
根据欧姆定律,V = IR(I =电流,R =电阻,以欧姆为单位)VR3 =-(i2)x 1 VR3 = -1(i2)
由于逆时针方向也会为负,
R2在两个回路中都是通用的。因此,流经该电阻的总电流为两个电流之和,因此R2上的I为(i1 + i2)。
所以,根据欧姆定律,V = IR(I =电流,R =以欧姆为单位的电阻)VR2 =-(i1 + i2)x 2 VR2 = -2 {(i1)+(i2)}
由于电流沿逆时针方向流动, 因此电位差为正,正好与V1相反,因此为7V。
因此,按照KVL
VR3 + VR2 + V2 = 0 VR3 + VR2 + V2 = 0 -1(i2)-2 {(i1)+(i2)} + 7 = 0
-1(i2)-2(i1)-2(i2)+ 7 = 0 -2(il)-3(i2)= -7……………………..等式2
现在求解这两个联立方程,我们得到i1为5A和i2为-1A。
现在,我们将计算流经电阻R2的电流值。
由于它是两个回路的共享电阻,因此仅通过欧姆定律很难获得结果。
根据KCL的规则,进入节点的电流等于离开节点的电流。
因此,如果电流流经电阻R2:
iR2 = i1 + i2 = 5A +(-1A)= 4A
流过该电阻器R2的电流为4A。
这就是KCL和KVL用于确定复杂电路中的电流和电压的方式。
在电路中应用基尔霍夫定律的步骤:
- 将所有电压源和电阻标记为V1,V2,R1,R2等,如果这些值是可假定的,则需要进行假设。
- 将每个分支或回路电流标记为i1,i2,i3等
- 对每个相应节点应用基尔霍夫电压定律(KVL)。
- 对电路中的每个独立回路应用基尔霍夫电流定律(KCL)。
- 线性联立方程将在需要时适用,以了解未知值。