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  • 克希霍夫定律

    已知任一连通的集总电路有n个节点,我们可以任选其中一个节点当做据点(datum node),当做测量电位的参考点。因此我们可以定义 (n-1)个节据电压node-to-datum),标示为 e1,e2,e3,……,e(n-1),而且附上 + 或–来指出电压参考方向。节点电压en 必为0。设Vk-j 代表节点 k 和节点 j 间的电压差,克希荷夫电压定律谓。

    编辑摘要

    目录

    基本信息/克希霍夫定律 编辑

     克希霍夫定律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. 克希霍夫(Gustav Robert Kirchhoff,1824~1887)提出。它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。运用 克希霍夫定律进行电路分析时,仅与电路的连接方式有关,而与构成该电路的元器件具有什么样的性质无关。 克希霍夫定律包括电流定律和电压定律

    发现背景

     克希霍夫定律是求解复杂电路的电学基本定律。从19世纪40年代,由于电气技术发展的十分迅速,电路变得愈来愈复杂。某些电路呈现出网络形状,并且网络中还存在一些由3条或3条以上支路形成的交点(节点)。这种复杂电路不是串、并联电路的公式所能解决的,刚从德国哥尼斯堡大学毕业,年仅21岁的 克希霍夫在他的第1篇论文中提出了适用于这种网络状电路计算的两个定律,即著名的 克希霍夫定律。该定律能够迅速地求解任何复杂电路,从而成功地解决了这个阻碍电气技术发展的难题。 克希霍夫定律建立在电荷守恒定律欧姆定律及电压环路定理的基础之上,在稳恒电流条件下严格成立。当基尔霍夫第一、第二方程组联合使用时,可正确迅速地计算出电路中各支路的电流值。由于似稳电流(低频交流电)具有的电磁波长远大于电路的尺度,所以它在电路中每一瞬间的电流与电压均能在足够好的程度上满足 克希霍夫定律。因此, 克希霍夫定律的应用范围亦可扩展到交流电路之中。

    基本概念/克希霍夫定律 编辑

    1、支路:
    (1)每个元件就是一条支路;
    (2)串联的元件我们视它为一条支路;
    (3)流入等于流出的电流的支路。
    2、节点: 
    (1)支路与支路的连接点;
    (2)两条以上的支路的连接点;
    (3)广义节点(任意闭合面)。 
    3、回路: 
    (1)闭合的支路;
    (2)闭合节点的集合。 
    4、网孔: 
    (1)其内部不包含任何支路的回路;
    (2)网孔一定是回路,但回路不一定是网孔. 

    基尔霍夫第一定律/克希霍夫定律 编辑


    第一定律又称 克希霍夫电流定律,简记为KCL,是电流的连续性在集总参数电路上的体现,其物理背景是电荷守恒公理。 克希霍夫电流定律是确定电路中任意节点处各支路电流之间关系的定律,因此又称为节点电流定律,它的内容为:在任一瞬时,流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和,即:

    基尔霍夫定律 克希霍夫定律


     

     在直流的情况下,则有: 

    基本信息基本信息


      

    通常把上两式称为节点电流方程,或称为KCL方程。
    它的另一种表示为: 

    基尔霍夫 克希霍夫


      

    在列写节点电流方程时,各电流变量前的正、负号取决于各电流的参考方向对该节点的关系(是“流入”还是“流出”);而各电流值的正、负则反映了该电流的实际方向与参考方向的关系(是相同还是相反)。
    通常规定,对参考方向背离(流出)节点的电流取正号,而对参考方向指向(流入)节点的电流取负号。 
      

    基尔霍夫 克希霍夫


    图KCL的应用所示为某电路中的节点 ,连接在节点的支路共有五条,在所选定的参考方向下有:

    基尔霍夫 克希霍夫

       
      

    KCL定律不仅适用于电路中的节点,还可以推广应用于电路中的任一假设的封闭面。即在任一瞬间,通过电路中任一假设封闭面的电流代数和为零。 

    基尔霍夫 克希霍夫


     

     图KCL的推广所示为某电路中的一部分,选择封闭面如图中虚线所示,在所选定的参考方向下有:  

    基尔霍夫基尔霍夫


      

    基尔霍夫第二定律/克希霍夫定律 编辑


    第二定律又称 克希霍夫电压定律,简记为KVL,是电场为位场时电位的单值性在集总参数电路上的体现,其物理背景是能量守恒公理。克希霍夫电压定律是确定电路中任意回路内各电压之间关系的定律,因此又称为回路电压定律,它的内容为:在任一瞬间,沿电路中的任一回路绕行一周,在该回路上电动势之和恒等于各电阻上的电压降之和,即:

    基尔霍夫克希霍夫

       
     

    在直流的情况下,则有: 

    基尔霍夫克希霍夫


     

    通常把上两式称为回路电压方程,简称为KVL方程。
    KVL定律是描述电路中组成任一回路上各支路(或各元件)电压之间的约束关系,沿选定的回路方向绕行所经过的电路电位的升高之和等于电路电位的下降之和。
    回路的“绕行方向”是任意选定的,一般以虚线表示。在列写回路电压方程时通常规定,对于电压或电流的参考方向与回路“绕行方向”相同时,取正号,参考方向与回路“绕行方向”相反时取负号。

    基尔霍夫克希霍夫

      
     图KVL的应用所示为某电路中的一个回路ABCDA,各支路的电压在所选择的参考方向下为u1、u2、u3、u4,因此,在选定的回路“绕行方向”下有:u1+u2=u3+u4。
    KVL定律不仅适用于电路中的具体回路,还可以推广应用于电路中的任一假想的回路。即在任一瞬间,沿回路绕行方向,电路中假想的回路中各段电压的代数和为零。 
     

    基尔霍夫克希霍夫

     图KVL的推广所示为某电路中的一部分,路径a、f 、c 、b 并未构成回路,选定图中所示的回路“绕行方向”,对假象的回路afcba列写KVL方程有:u4+uab=u5,则:uab=u5-u4。
    由此可见:电路中a、b两点的电压uab,等于以a为原点、以b为终点,沿任一路径绕行方向上各段电压的代数和。其中,a、b可以是某一元件或一条支路的两端,也可以是电路中的任意两点。
    KCL的复频域形式

    从电路理论中已经知道,对于电路中的任一个节点A或割集C,其时域形式的KCL方程为 

    基尔霍夫克希霍夫


      

    ,k=1,2,3,……n,式中,n为连接在节点A上的支路数或割集C中所包含的支路数。对上式进行拉普拉斯变换得   

    基尔霍夫克希霍夫


     

    式中, 

    基尔霍夫克希霍夫


      

    为支路电流ik(t)的像函数。上式即为KCL的复频域形式。它说明集中于电路中任一节点A的所有支路电流像函数的代数和等于零;或者电路的任一割集C中所有支路电流像函数的代数和等于零。 KVL的复频域形式
    对于电路中任一个回路,其时域形式的KVL方程为 

    基尔霍夫克希霍夫


      
    ,k=1,2,3,……n。式中,n为回路中所含支路的个数。对上式进行拉普拉斯变换即得
    ,式中, 
     
    为支路电压uk(t)的像函数。上式即为KVL的复频域形式。它说明任一回路中所有支路电压像函数的代数和等于零。

    相关应用

    克希霍夫电流定律(KCL)描述了电路中各支路的电流之间的关系,克希霍夫电压定律(KVL)描述了电路中各支路电压之间的关系,它们都与电路元件的性质无关,而只取决于电路的连接方式。所以我们把这种约束关系称为连接方式约束或拓扑约束,而把根据它们写出来的方程分别称为KCL约束方程和KVL约束方程。

    /克希霍夫定律 编辑

    基尔霍夫定律是有关热辐射的基本定律中的一条,在热辐射的理论和应用中都占有很重要的地位。又成为克希霍夫辐射定律。

    实验得知,当热量平衡情况下,即温度保持恒定时,如物体发出波长λ的辐射能,也将吸收同样波长λ的辐射能;发射率较大的物质,其吸收率也较大。克希霍夫定律表述了这种关系:物体的发射率(eλ,T)和吸收率(aλ,T)与物体的性质有关,但eλ,T与aλ,T的比值和物体的性质无关。对所有物体而言,此比值只是温度T与波长λ的函数,用下式表示:克希霍夫定律
    式中eλ.T和aλ.T分别为在温度一定时物体对某一波长的辐射能力和吸收率;Eλ.T为一常数。
    对于一定的波长λ,在一定的温度T时,此比值为与物体性质无关的常数。对于绝对黑体来说,aλ,T= 1,所以绝对黑体的发射率就等于E(λ,T)。显然,任何物体在某一温度T时,对某一波长λ的发射率与吸收率之比值就等于绝对黑体在同温度T时同一波长λ的发射率。
    由此可知:

    ①辐射能力强的物体,其吸收能力也强,反之亦然;

    ②对于同一物体,在温度T时辐射某一波长的辐射,那么它也吸收这一波长的辐射;

    ③在同一温度下,任何物体的辐射能力,都小于黑体的辐射能力。克希霍夫定律把一般物体的辐射、吸收与黑体的辐射联系起来,从而可能通过研究黑体辐射来了解一般物体的辐射。

    基尔霍夫定律是怎么推导出来的/克希霍夫定律 编辑


    克希霍夫定律的实质是稳恒电流情况下的电荷守恒定律
    其中推导过程中推出的重要方程是电流的连续性方程
    即SJ*dS=-dq/dt(第一个S是闭合曲面的积分号,J是电流密度矢量,*是矢量的点乘,dS是被积闭合曲面的面积元,dq/dt是闭合曲面内电量随时间的变化率)
    意思是说电流场的电流线是有头有尾的,凡是电流线发出的地方,该处的正电荷的电量随时间减少,电流线汇聚的地方,该处的正电荷的电量随时间增加
    对稳恒电流,电流密度不随时间变化,必有SJ*dS=-dq/dt=0,这就是稳恒电流的闭合性,同时也是克希霍夫定律的推导基础

    基尔霍夫简介/克希霍夫定律 编辑

    人物生平
    克希霍夫(Gustav Robert Kirchhoff,1824~1887),德国物理学家。
    1824年3月12日生于普鲁士的柯尼斯堡(今为俄罗斯加里宁格勒),1887 年10 月17日卒于柏林。克希霍夫在柯尼斯堡大学读物理,1847年毕业后去柏林大学任教,3年后去布雷斯劳作临时教授。1854年由化学家本生推荐任海德堡大学教授。1875年到柏林大学作理论物理教授,直到逝世。

    主要成就

    电路设计
    1845年,21岁时他发表了第一篇论文,提出了稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的两条电路定律,即著名的克希霍夫电流定律(KCL)和克希霍夫电压定律(KVL),解决了电器设计中电路方面的难题。后来又研究了电路中电的流动和分布,从而阐明了电路中两点间的电势差和静电学的电势这两个物理量在量纲和单位上的一致。使克希霍夫电路定律具有更广泛的意义。直到现在,克希霍夫电路定律仍旧是解决复杂电路问题的重要工具。基尔霍夫被称为“电路求解大师”。
    热辐射
    1859年,克希霍夫做了用灯焰烧灼食盐的实验。在对这一实验现象的研究过程中,得出了关于热辐射的定律,后被称为克希霍夫定律(Kirchoff's law):克希霍夫根据热平衡理论导出,任何物体对电磁辐射的发射本领吸收本领的比值与物体特性无关,是波长和温度的普适函数,即与吸收系数成正比。并由此判断:太阳光谱的暗线是太阳大气中元素吸收的结果。这给太阳和恒星成分分析提供了一种重要的方法,天体物理由于应用光谱分析方法而进入了新阶段。
    1862年他又进一步得出绝对黑体的概念。他的热辐射定律和绝对黑体概念是开辟20世纪物理学新纪元的关键之一。1900年M.普朗克的量子论就发轫于此。
    化学
    在海德堡大学期间制成光谱仪,与化学家本生合作创立了光谱化学分析法(把各种元素放在本生灯上烧灼,发出波长一定的一些明线光谱,由此可以极灵敏地判断这种元素的存在),从而发现了元素铯和铷。科学家利用光谱化学分析法,还发现了铊、碘等许多种元素。 [1]

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2011-04-25
    扩展阅读
    1基尔霍夫定律介绍

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