1、支路、結點、回路的概念
分析與計算電路的基本定律,除了歐姆定律外,還有基爾霍夫電流定律和電壓定律?;鶢柣舴螂娏鞫蓱糜诮Y點,電壓定律應用于回路。
電路中的每一分支稱為支路,一條支路流過一個電流,稱為支路電流。在圖1中共有三條支路。
電路中三條或三條以上的支路相連接的點稱為結點。在圖1所示的電路中共有兩個結點,分別為a和b。
回路是由一條或多條支路所組成的閉合路徑。圖1中共有三個回路。
圖1 支路、結點、回路舉例
2、基爾霍夫電流定律
基爾霍夫電流定律(kcl)指出在集總電路中,任何時刻,對任一結點,所有流出結點的支路電流的代數和恒等于零。此處,電流的“代數和”是根據電流是流出結點還是流入結點判斷的。若流出結點的電流前面取“+”號,則流入結點的電流前面取“-”號;電流是流出結點還是流入結點,均根據電流的參考方向判斷。所以對任一結點有
(1)
上式取和是對連接該結點的所有支路電流進行的。
例如,以圖1電路為例,對節(jié)點a應用kcl,有(各支路電流的參考方向如圖所示)
(2)
上式也可寫為
(3)
此式表明,流入節(jié)點a的支路電流等于流入該結點的支流電流。因此,也可理解為,任何時刻,流出任一結點的支路電流等于流人該結點的支路電流。
kcl通常用于結點,但對包圍幾個結點的閉合面也是適用的。如圖2所示電路閉合面內有3個結點,分別為a、b、c,對這些結點分別應用kcl有
(4)
三式相加后,得到閉合面內的電流代數和
5)
其中i1、i3流出閉合面,i2流入閉合面。
圖2 kcl的推廣應用
注意:
①kcl是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結點處的反映;
②kcl是對結點處支路電流間的約束,與支路上接什么元件無關,與電路是線性還是非線性無關;
③kcl方程是按電流參考方向列寫的,與電流實際方向無關。
3、基爾霍夫電壓定律
基爾霍夫電壓(kvl)定律指出在集總電路中,任何時刻,沿任一回路,所有支路電壓的代數和恒等于零。
(6)
上式取和時,需要任意指定一個回路的繞行方向,凡支路電壓的參考方向與回路的繞行方向一致者,該電壓前面取“+”號,支路電壓參考方向與回路繞行方向相反者,前面取“-”號。
如圖3所示,對回路列寫kvl方程時,需要先指定各支路電壓的參考方向和回路的繞行方向。圖中標出的繞行方向為虛線表示的順時針方向。根據kvl,對該回路有
(7)
由上式也可得到
(8)
此式表明,kvl定律也可理解為從回路中任意一點出發(fā),以順時針方向或逆時針方向沿回路循行一周,則在這個方向上的電位降之和等于電位升之和,即有
(9)
圖3 kvl應用舉例
以后在電阻電路中列kvl方程時,直接將歐姆定律代入,式(7)也可改寫為
(10)
基爾霍夫電壓定律不僅應用于閉合回路,也可以把它推廣應用于回路的部分電路?,F以圖2所示電路為例,根據基爾霍夫電壓定律列出式子
(11)
圖4 kvl的推廣應用
注意:
① kvl的實質反映了電路遵從能量守恒定律;
② kvl是對回路中的支路電壓加的約束,與回路各支路上接的是什么元件無關,與電路是線性還是非線性無關;
③ kvl方程是按電壓參考方向列寫,與電壓實際方向無關。
例1 求圖所示電路圖中的端電壓u。
解:對節(jié)點a列寫kcl方程:
對右邊回路列寫kvl方程(選擇順時針為繞行方向):