基爾霍夫定律可以秒殺高中電路題嗎
答案是否定的,我們來詳細的了解一下什么是基爾霍夫定律。
1、基爾霍夫定律
簡單來說,基爾霍夫定律就是閉合電路內,任何一個節點,流入的電流與流出的電流相等(電流定律)。閉合電路內,任何一個節點圍繞任何一個回路轉一圈,在各個電子元件上的壓升等于壓降。很容易理解,就是一種守恒罷了。
2、高中電路題
高中電路題考什么?考電路設計啊,考誤差分析啊,考為什么小燈泡伏安特性曲線為什么不是一條直線啊,基爾霍夫定律木有任何用啊。
基爾霍夫電壓定律有兩個,一個是基爾霍夫電壓定律KVL,一個是基爾霍夫電流定律KCL。
我們先來看看基爾霍夫的電壓定律KVL:
基爾霍夫電壓定律KVL,是電氣知識的基礎。包括電子技術、高低壓配電網技術、電器理論等等,它無所不在,永遠也不會過時,也不會被任何其它定律所取代。
我們看下圖:
這是一個閉合回路。閉合回路的形狀是無所謂的,矩形、圓形都行,只要閉合就行。
圖中,我們從a點出發,經過b點、c點和d點,再返回到a點,由此構成閉合路徑。有了閉合路徑的概念后,我們就可以建立KVL的概念:基爾霍夫電壓定律KVL指的是:沿著一條閉合路徑,電位上升和下降得代數和為零。
KVL的表達式為:
由KVL的定義,可以推出如下結論:(1)因為E-U1-U2=0,所以E=U1+U2也即:串聯電路中,電源電壓等于電路中電壓降之和。
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其中,Us為電壓升高值,Uj為電壓降落值。它表示,閉合回路中電壓上升之和等于電壓下降之和。至于電壓方向,我們選逆時針也行,順時針也行,兩者的結果是一致的。那么由基爾霍夫電壓定律KVL能推出什么結論呢?
第一個結論:串聯電路的分壓定律;第二個結論:串聯電路中的元件位置可以互換。
與KVL相關聯的幾個結論是:電阻的串并聯公式,還有并聯電路的功率分配等等。
我們再看基爾霍夫電流定律KCL:
流入一個節點(或者區域)的電流之和等于流出該節點(或者區域)的電流之和。
KCL的表達式為:
由KCL我們能得到并聯電路的分流定律,以及電壓源的并聯,以及開路和短路效應。
基爾霍夫電壓定律和電流定律的其它應用:若我們僅僅以為基爾霍夫的這兩個定律只能用于直流回路,那就錯了。KVL和KCL也能用于交流回路,只不過這時的電壓和電流關系要用相量來表示。特別地,電阻要換成阻抗。
KVL和KCL也能用于晶體管電路,以及電力電子電路,當然這時的分析就復雜得多。對于電阻,我們更多地是使用動態電阻來分析元器件的工作特性,并由此出現正電阻、負電阻和零電阻的概念。
甚至,我們還能把基爾霍夫的定律應用到磁路計算中,例如磁路計算的基爾霍夫第一定律和基爾霍夫第二定律。交流磁路計算的基爾霍夫第一定律,即磁通連續性定理在交流磁路中的表達形式:
它表示在同一節點中流出的所有磁通瞬時值之和為零。交流磁路計算的基爾霍夫第二定律:在正弦交流下,磁路任意支路的磁動勢為,則磁路的標量磁位拉普拉斯方程在交流磁路中的形式為:
說明,磁路中任意一回路內各支路的磁壓降的代數和,等于該回路內各支路磁動勢的代數和。
結論:
題主的這個問題是針對高中課程的,但我已經把它引申到大學物理和電路分析中去了。目的是什么呢?讓中學生們開開眼吧,別總盯著中學的電阻串并聯,基爾霍夫定律的應用面還廣著呢。
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