注释:
探究基尔霍夫第一定律
基尔霍夫(电路)定律是求解复杂电路的电学基本定律。在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岁的基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff,1824~1887),1845年,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,即著名的基尔霍夫定律。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。

基尔霍夫定律包括基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律,其中基尔霍夫第一定律即为基尔霍夫电流定律,简称KCL;基尔霍夫第二定律则称为基尔霍夫电压定律,简称KVL。

基尔霍夫电流定律表明:

所有进入某节点的电流的总和等于所有离开这节点的电流的总和。

或者,更详细描述为:

假设进入某节点的电流为正值,离开这节点的电流为负值,则所有涉及这节点的电流的代数和等于零。

以方程表达,对于电路的任意节点满足:

其中,ik 是第 k 个进入或离开这节点的电流,是流过与这节点相连接的第 k 个支路的电流,可以是实数或复数。

由于累积的电荷(单位为库仑)是电流(单位为安培)与时间(单位为秒)的乘积,从电荷守恒定律可以推导出这条定律。其实质是稳恒电流的连续性方程,即根据电荷守恒定律,流向节点的电流之和等于流出节点的电流之和。

思考电路的某节点,跟这节点相连接有 n 个支路。假设进入这节点的电流为正值,离开这节点的电流为负值,则经过这节点的总电流 i 等于流过支路 k 的电流ik的代数和:

将这方程积分于时间,可以得到累积于这节点的电荷的方程:

其中,是累积于这节点的总电荷,是流过支路 k的电荷,t0 是检验时间,t 是积分时间变量。

假设 q>0 ,则正电荷会累积于节点;否则,负电荷会累积于节点。根据电荷守恒定律,q 是个常数,不能够随着时间演进而改变。由于这节点是个导体,不能储存任何电荷。所以,q=0 、i=0 ,基尔霍夫电流定律成立:

含时电荷密度



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