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1.3 基尔霍夫定律

集总参数电路是由集总参数元件相互连接而成的,其遵循的基本定律就是基尔霍夫定律,包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。该定律由德国科学家基尔霍夫于1845年提出。为了便于叙述,先介绍电路术语,再引入基尔霍夫定律。

1.3.1 电路术语

支路:电路中的每一个二端元件或者元件的串/并联组合。

节点:支路与支路的连接点。

显然,支路划分的不同,会影响到节点的选取。在图1-7所示的电路中,每个元件均可以被当作一条支路,此时该电路共有6条支路,a、b、c、d这4个节点。若把元件1和元件2的串联组合,以及元件5和元件6的并联组合分别当作一条支路,则该电路共有4条支路,b、c、d这3个节点。

支路电压与支路电流:支路两端的电压称为支路电压,流过支路的电流称为支路电流。如图1-7中的3号支路,支路电压为 u 3 ,支路电流为 i 3 ,二者通常取关联参考方向。

路径:任意两个节点之间的通路。如图1-7中,节点a到节点b的路径可以是元件1,也可以是元件2、4,还可以是元件2、5、3或2、6、3。

图1-7 电路图示例

回路:由支路形成的闭合路径。如图1-7中,如果每个元件作为一条支路,则元件1、2、4,元件3、4、5,元件5、6,元件1、2、3、6等均构成回路。而当元件5、6被当作一条支路时,元件5、6不再构成回路。

平面电路:能够画在平面(或球面)上,且可避免支路在空间交叉的电路。

网孔:平面电路中,内部不含支路的回路称为网孔。显然,网孔是回路,而回路不一定是网孔。图1-7中如果每个元件作为一条支路,则元件1、2、4,元件3、4、5,元件5、6均可以构成网孔。

1.3.2 基尔霍夫电流定律

KCL及其推广

基尔霍夫电流定律(KCL)描述支路电流的关系,文字表述如下。

在集总参数电路中,任一时刻,对任一节点,流入(或流出)该节点的所有支路电流的代数和恒等于零。

数学表达式为

i k =0 (1-8)

KCL方程涉及各支路电流的代数和,因此除规定各支路电流的参考方向外,还应规定正方向。若规定流出节点的电流取正,则流入节点的电流取负;若规定流入节点的电流取正,则流出节点的电流取负。

例1-3 已知某节点所连各支路电流的参考方向如图1-8所示,列写该节点的KCL方程。

图1-8 例1-3图

解: 设流入节点的电流取正,流出节点的电流取负,则该节点KCL方程为

i 1 + i 2 i 3 i 4 + i 5 i 6 =0 ( 1-3 -1)

式( 1-3 -1)可改写为

i 1 + i 2 + i 5 = i 3 + i 4 + i 6 1-3 -2)

式( 1-3 -2)表明,流出节点的支路电流等于流入该节点的支路电流。因此,KCL也可理解为,对于任一集总参数电路,在任一时刻,对任一节点,流出该节点的支路电流恒等于流入该节点的支路电流,数学表达式为

i I =∑ i O

例1-4 已知各支路电流参考方向如图1-9所示,列写各节点的KCL方程。

图1-9 例1-4图

解: 图1-9中共4个节点,设各支路电流均取流入节点为正,流出节点为负。

对节点①列写KCL方程: i 1 i 2 i 6 =0。

对节点②列写KCL方程: i 2 i 3 i 4 =0。

对节点③列写KCL方程: i 3 i 5 + i 6 =0。

对节点④列写KCL方程:− i 1 + i 4 + i 5 =0。

将例1-4中节点①、节点②和节点③的KCL方程相加可得方程 i 1 i 4 i 5 =0,与节点④的KCL方程相同。事实上,将例1-4中任意3个节点的KCL方程相加均可得第4个节点的KCL方程。由此可知,上述4个KCL方程中只有3个方程是彼此独立的。可以证明,对于一个含有 n 个节点的电路,其独立的KCL方程数为( n −1)。对电路中的独立节点列写的KCL方程彼此独立。

KCL不仅适用于节点,还可以推广到电路中任一闭合面,即集总参数电路中任一闭合面相交的所有支路电流的代数和等于零。闭合面又称为广义节点或超节点,电流由面内穿出闭合面流向面外称为流出,反之称为流入。

例1-5 图1-10中虚线为电路中的一个闭合面,试证明: i A + i B + i C =0。

证明: 由1、2、3支路构成的电路为闭合面,各支路电流参考方向及节点编号分别如图1-11所示。

图1-10 例1-5图

图1-11 例1-5解图

设流入节点取正,流出节点取负,分别对节点①、节点②和节点③列写KCL方程

i A = i 1 i 3

i B =i 2 i 1

i C = i 3 i 2

将3个方程的等号左边和右边分别相加可得

i A + i B + i C =0

即闭合面相交的所有支路电流的代数和等于零。

1.3.3 基尔霍夫电压定律

KVL及其推广

基尔霍夫电压定律(KVL)描述支路电压的关系,文字表述如下。

在集总参数电路中,任一时刻,沿任一回路,该回路中所有支路电压的代数和恒等于零。

数学表达式为

u k =0 (1-9)

“沿”字指明对回路列写KVL方程时要先选取一个绕向,顺时针或逆时针,另外KVL方程涉及支路电压的代数和,因此除规定各支路电压的参考方向外,还应规定在具体绕向前提下的正方向。若沿回路绕行方向支路电压降取正,则电压升取负;若沿回路绕行方向支路电压升取正,则电压降取负。

例1-6 已知某回路各支路电压参考方向如图1-12所示,列写该回路的KVL方程。

图1-12 例1-6图

解: 选取顺时针方向作为回路的绕行方向,设在此绕向下支路电压降取正,电压升取负,KVL方程为

u 1 + u 2 + u 3 u 4 =0 ( 1-6 -1)

式( 1-6 -1)可改写为

u 1 + u 4 = u 2 + u 3 1-6 -2)

式( 1-6 -2)表明,沿回路绕行方向,支路电压升之和恒等于支路电压降之和,数学表达式为

u =∑ u

例1-7 已知支路电压的参考方向以及所选回路如图1-13所示,列写回路 l 1 l 2 l 3 l 4 的KVL方程。

图1-13 例1-7图

解: 选取顺时针方向为回路绕行方向,沿回路绕行方向,支路电压降取正,支路电压升取负,得

u 1 + u 2 + u 4 =0

u 4 + u 3 + u 5 =0

u 2 + u 6 u 3 =0

u 1 + u 6 + u 5 =0

将回路 l 1 、回路 l 2 和回路 l 3 的KVL方程相加可得− u 1 + u 6 + u 5 =0,与回路 l 4 的KVL方程相同。事实上,将例1-7中任意3个回路的KVL方程相加均可得第4个回路的KVL方程。由此可知,上述4个KVL方程中只有3个方程是彼此独立的。可以证明,对于一个含有 n 个节点、 b 条支路的电路,其独立的KVL方程个数为[ b −( n −1)]。对电路中的独立回路列写的KVL方程彼此独立。对于平面电路中的网孔,由于每个网孔都包含一个其他网孔未经过的支路,因此,全部网孔是一组独立回路。

KVL方程是对形成回路的电压列写的方程,因此只要参与方程的一组电压形成回路即可,不要求在电压之间必须存在一条真实支路,由不完全是真实支路形成的假想回路同样可以列写KVL方程。例如,图1-14(a)所示是某电路的一条支路,由两个元件构成,要想求支路电压 u ,可用虚线与该支路构成一条假想回路,如图1-14(b)所示。选取顺时针方向为回路绕行方向,沿回路绕行方向,支路电压升之和等于支路电压降之和,即

图1-14 支路与假想回路

u = u 1 + u 2 (1-10)

特别要注意,KCL是求电流的一种重要方法,KVL是求电压的一种重要方法,这两类方程只关注电路的“拓扑”,即电路中支路的连接关系,与支路上元件的性质无关,因此称为“拓扑约束”。 QhTCwlF1kigbO/9J0/TGfWHBsUgUDaQfU9oIymvVbh+TNrd0NwdfKhofANXZR0bQ

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