1.4.1 基尔霍夫电流定律
基尔霍夫电流定律,简称为KCL,又称为节点电流定律,表述为:在某一时刻,对电路中一个节点,流入该节点的电流总和恒等于流出该节点的电流总和,即
需要注意的是,基尔霍夫电流定律针对的是电路中的一个节点,描述了这一个节点各电流应满足的约束关系。而且,这里电流是流入或流出节点,是依据电流的参考方向来确定的,而不是依据电流的实际方向。
特别地,电路中标好电流参考方向后,常常会发现,一个节点没有流入电流或没有流出电流。对一个节点,如果没有流入电流,则表明流入电流之和为0,如果没有流出电流,则表明流出电流之和为0。
如果约定,在流入节点的电流前取“+”号,在流出节点的电流前取“-”号(反之亦可),则基尔霍夫电流定律可以表述为:对电路中一个节点,所有电流的代数和为0,即
式中,Ii为流入或流出这个节点的电流。
如图1.15所示部分电路,流入或流出节点A的电流有4个,其中I1、I2和I3为流入电流,I4为流出电流,可以运用基尔霍夫电流定律列方程。如果根据式(1.7),有I1+I2+I3=I4;如果根据式(1.8),有I1+I2+I3+(-I4)=0,即I1+I2+I3-I4=0。
图1.15 基尔霍夫电流定律示例
一个电路,可能没有节点,也可能有一个或多个节点。如果这个电路没有节点,表明这是一个简单电路,则不需要列电流方程。如果这个电路有多个节点,对每个节点运用基尔霍夫电流定律列电流方程,就可以建立起这个电路中每条支路上电流的相互约束关系。需要注意的是,对于含有n个节点的电路,只能列出n-1个独立的电流方程。
由此可见,对节点运用基尔霍夫电流定律列电流方程时,需要首先标出每条支路上的电流及其参考方向,然后才能判断电流是流入还是流出节点,才可以列电流方程。
一般来说,电路图上标的电流方向,都可以看作是参考方向。虽然可以根据电流的参考方向以及其数值,确定电流的实际方向,但实际上在分析电路时,并不关心电流的实际方向,有参考方向就足够求解电路了。
基尔霍夫电流定律还能推广到对广义节点列电流方程。在电路中任意假设一个封闭曲面,此封闭曲面所包含的区域可以当成一个节点,这个节点称为广义节点。
如图1.16所示电路,可以将点画线包围的网络当成一个节点N,N即是一个广义节点。对广义节点N也可以运用基尔霍夫电流定律,于是有I1+I2+I3=0。
图1.16 广义节点示例
按照基尔霍夫电流定律适用于广义节点的概念,可以很容易得出如下推论:如果两个回路之间只有一根导线相连,则该导线上的电流为0。
【例题1.2】如图1.17所示电路,求图中所示电流I。
图1.17 根据广义节点概念求电路上的电流
解答:左右两边各是一个回路,通过一个电阻用导线相互连接,因为2Ω电阻两端的电压不知道,所以无法运用欧姆定律求电流I。根据广义节点的概念,直接把左边整个回路圈起来,当成一个广义节点,如图点画线椭圆所示。对这个广义节点,运用基尔霍夫电流定律,很容易推导出流过2Ω电阻的电流I=0。
基尔霍夫电流定律描述的是节点上各电流之间的关系,既适用于直流电路,也适用于交流电路,既适用于线性电路,也适用于非线性电路,即在任一时刻,对某个节点,各电流的代数和为零。