基尔霍夫定理的研究（基尔霍夫定理的研究误差分析）

基尔霍夫第一定律的内容是什么?

基本信息

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基尔霍夫定律Kirchhoff laws是电路中电压和电流所遵循的基本规律,是分析和计算较为复杂电路的基础,1845年由德国物理学家G.R.基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff,1824～1887）提出.它既可以用于直流电路的分析,也可以用于交流电路的分析,还可以用于含有电子元件的非线性电路的分析.运用基尔霍夫定律进行电路分析时,仅与电路的连接方式有关,而与构成该电路的元器件具有什么样的性质无关.基尔霍夫定律包括电流定律（KCL)和电压定律(KVL),前者应用于电路中的节点而后者应用于电路中的回路.[1]

2发现背景

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基尔霍夫定律是求解复杂电路的电学基本定律.从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*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.基尔霍夫定律建立在电荷守恒定律、欧姆定律及电压环路定理的基础之上,在稳恒电流条件下严格成立.当基尔霍夫第一、第二方程组联合使用时,可正确迅速地计算出电路中各支路的电流值.由于似稳电流(低频交流电)具有的电磁波长远大于电路的尺度,所以它在电路中每一瞬间的电流与电压均能在足够好的程度上满足基尔霍夫定律.因此,基尔霍夫定律的应用范围亦可扩展到交流电路之中.

3基本概念

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1、支路：

（1）每个元件就是一条支路.

（2）串联的元件我们视它为一条支路.

（3）流入等于流出的电流的支路.

2、节点：

（1）支路与支路的连接点.

（2）两条以上的支路的连接点.

（3）广义节点（任意闭合面）.

3、回路：

（1）闭合的支路.

（2）闭合节点的集合.

4、网孔：

（1）其内部不包含任何支路的回路.

（2）网孔一定是回路,但回路不一定是网孔.

4主要内容

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基尔霍夫第一定律

基尔霍夫第一定律又称基尔霍夫电流定律,简记为KCL,是电流的连续性在集总参数电路上的体现,其物理背景是电荷守恒公理.基尔霍夫电流定律是确定电路中任意节点处各支路电流之间关系的定律,因此又称为节点电流定律,它的内容为：在任一瞬时,流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和,即：

基尔霍夫定律

在直流的情况下,则有：

基尔霍夫定律

通常把上两式称为节点电流方程,或称为KCL方程.

它的另一种表示为：

基尔霍夫定律

在列写节点电流方程时,各电流变量前的正、负号取决于各电流的参考方向对该节点的关系（是“流入”还是“流出”）；而各电流值的正、负则反映了该电流的实际方向与参考方向的关系（是相同还是相反）.

通常规定,对参考方向背离（流出）节点的电流取正号,而对参考方向指向（流入）节点的电流取负号.

KCL的应用

图KCL的应用所示为某电路中的节点,连接在节点的支路共有五条,在所选定的参考方向下有：

基尔霍夫定律

KCL定律不仅适用于电路中的节点,还可以推广应用于电路中的任一假设的封闭面.即在任一瞬间,通过电路中任一假设封闭面的电流代数和为零.

KCL的推广

图KCL的推广所示为某电路中的一部分,选择封闭面如图中虚线所示,在所选定的参考方向下有：

基尔霍夫定律

基尔霍夫第二定律

基尔霍夫第二定律又称基尔霍夫电压定律,简记为KVL,是电场为位场时电位的单值性在集总参数电路上的体现,其物理背景是能量守恒.基尔霍夫电压定律是确定电路中任意回路内各电压之间关系的定律,因此又称为回路电压定律,它的内容为：在任一瞬间,沿电路中的任一回路绕行一周,在该回路上电动势之和恒等于各电阻上的电压降之和,即：

基尔霍夫定律

在直流的情况下,则有：

基尔霍夫定律

通常把上两式称为回路电压方程,简称为KVL方程.

KVL定律是描述电路中组成任一回路上各支路（或各元件）电压之间的约束关系,沿选定的回路方向绕行所经过的电路电位的升高之和等于电路电位的下降之和.

回路的“绕行方向”是任意选定的,一般以虚线表示.在列写回路电压方程时通常规定,对于电压或电流的参考方向与回路“绕行方向”相同时,取正号,参考方向与回路“绕行方向”相反时取负号.

KVL的应用

图KVL的应用所示为某电路中的一个回路ABCDA,各支路的电压在所选择的参考方向下为u1、u2、u3、u4,因此,在选定的回路“绕行方向”下有：u1+u2=u3+u4.

KVL定律不仅适用于电路中的具体回路,还可以推广应用于电路中的任一假想的回路.即在任一瞬间,沿回路绕行方向,电路中假想的回路中各段电压的代数和为零.

KVL的推广

图KVL的推广所示为某电路中的一部分,路径a、f 、c 、b 并未构成回路,选定图中所示的回路“绕行方向”,对假象的回路afcba列写KVL方程有：u4+uab=u5,则：uab=u5-u4.

由此可见：电路中a、b两点的电压uab,等于以a为原点、以b为终点,沿任一路径绕行方向上各段电压的代数和.其中,a、b可以是某一元件或一条支路的两端,也可以是电路中的任意两点.

KCL的复频域形式

从电路理论中已经知道,对于电路中的任一个节点A或割集C,其时域形式的KCL方程为

基尔霍夫定律

k=1,2,3,……n,式中,n为连接在节点A上的支路数或割集C中所包含的支路数.

对上式进行拉普拉斯变换得

基尔霍夫定律

式中,

基尔霍夫定律

为支路电流ik(t)的函数.上式即为KCL的复频域形式.它说明集中于电路中任一节点A的所有支路电流像函数的代数和等于零；或者电路的任一割集C中所有支路电流像函数的代数和等于零.

KVL的复频域形式

对于电路中任一个回路,其时域形式的KVL方程为

基尔霍夫定律

k=1,2,3,……n.式中,n为回路中所含支路的个数.对上式进行拉普拉斯变换即得

式中,为支路电压uk(t)的像函数.上式即为KVL的复频域形式.它说明任一回路中所有支路电压像函数的代数和等于零.

5相关应用

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基尔霍夫电流定律（KCL）描述了电路中各支路的电流之间的关系,基尔霍夫电压定律（KVL）描述了电路中各支路电压之间的关系,它们都与电路元件的性质无关,而只取决于电路的连接方式.所以我们把这种约束关系称为连接方式约束或拓扑约束,而把根据它们写出来的方程分别称为KCL约束方程和KVL约束方程.

6其他定律

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定律内容：在热平衡条件下,任何实际物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收率的比值（这个比值仅仅是温度的函数,与材料的性质无关）,恒等于同温度下黑体的辐射力.

另一种表述：热平衡时,任意物体对黑体投入辐射的吸收率等于同温度下该物体的黑度.

这是有关热辐射的基本定律中的一条,在热辐射的理论和应用中都占有很重要的地位,又成为基尔霍夫辐射定律.

7定律推论

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1.在同温度下,物体的辐射力越大其吸收率也越大；即：善于辐射的物体必善于吸收.

2.对于灰体,因其单色吸收率与波长无关,在热平衡条件下不管辐射是不是来自黑体,成立.

3.同温度下黑体的辐射力*.

4.对于实际情况,不处于热平衡条件下,只要是漫射灰表面,基尔霍夫定也适用.

8定律推导

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基尔霍夫第一定律的实质是稳恒电流情况下的电荷守恒定律

其中推导过程中推出的重要方程是电流的连续性方程

即SJ*dS=-dq/dt（第一个S是闭合曲面的积分号,J是电流密度矢量,*是矢量的点乘,dS是被积闭合曲面的面积元,dq/dt是闭合曲面内电量随时间的变化率）

意思是说电流场的电流线是有头有尾的,凡是电流线发出的地方,该处的正电荷的电量随时间减少,电流线汇聚的地方,该处的正电荷的电量随时间增加

对稳恒电流,电流密度不随时间变化,必有SJ*dS=-dq/dt=0,这就是稳恒电流的闭合性,同时也是基尔霍夫定律的推导基础

基尔霍夫第二定律的实质是电力线闭合

第二定律又称基尔霍夫电压定律,是电场为位场时电位的单值性在集总参数电路上的体现,其物理背景是能量守恒.基尔霍夫电压定律是确定电路中任意回路内各电压之间关系的定律,因此又称为回路电压定律,它的内容为：在任一瞬间,沿电路中的任一回路绕行一周,在该回路上电动势之和恒等于各电阻上的电压降之和,形象地说就是电力线闭合.[2]

也称做:克希荷夫电路定律

试描述基尔霍夫第一定律和第二定律的内容

1、基尔霍夫第一定律：在任意的集中参数电路中，任意时间，任一节点上，流入流出该节点的电流的代数和恒等于0。

2、基尔霍夫第二定律：在任意的集中参数电路中，任意时间，沿着任一回路，各段电压降的代数和恒等于0。

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。

扩展资料：

一、适用范围

基尔霍夫定律建立在电荷守恒定律、欧姆定律及电压环路定理的基础之上，在稳恒电流条件下严格成立。当基尔霍夫第一、第二方程组联合使用时，可正确迅速地计算出电路中各支路的电流值。

由于似稳电流(低频交流电) 具有的电磁波长远大于电路的尺度，所以它在电路中每一瞬间的电流与电压均能在足够好的程度上满足基尔霍夫定律。因此，基尔霍夫定律的应用范围亦可扩展到交流电路之中。

二、科学家修正基尔霍夫电流定律

虽然物理定律不是随便就可以推翻的，但是它们有时也需要修正。美国伊利诺斯大学电子和计算机工程教授米尔顿·冯和小尼克·侯隆亚克等研究人员通过开发出的三端口晶体管激光器（three-port transistor laser），对基尔霍夫电流定律进行了修正。

伊利诺斯大学研究人员通过使用量子阱修改基区和谐振器的外形，把晶体管的工作方式由自发发射转变为受激发射。晶体管复合工艺的改变使器件特性发生了变化，使其具有一种基本的、潜在的接近激光器阈值的可用的非线性特性。

三端口晶体管激光器通过把电输入信号转变为两个输出信号——一个电信号和一个光信号，从而提供了新的信号混合和开关能力，把晶体管和激光器的功能结合了起来。

但是，新增加的光输出第三端口带来了意想不到的难题，即在两种能量输出形式并存的情况下如何运用电荷守恒定律和能量守恒定律。

参考资料来源：百度百科－基尔霍夫电流定律

参考资料来源：百度百科－基尔霍夫电压定律

基尔霍夫定律的内容是什么？

基尔霍夫定律是由德国物理学家基尔霍夫提出的。它概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律。基尔霍夫定律是电路理论中最基本也是最重要的定律之一。它包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。

基尔霍夫定律Kirchhoff laws是电路中电压和电流所遵循的基本规律，是分析和计算较为复杂电路的基础，1845年由德国物理学家G.R.基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887）提出。

它既可以用于直流电路的分析，也可以用于交流电路的分析，还可以用于含有电子元件的非线性电路的分析。

基尔霍夫定律建立在电荷守恒定律、欧姆定律及电压环路定理的基础之上，在稳恒电流条件下严格成立。当基尔霍夫第一、第二方程组联合使用时，可正确迅速地计算出电路中各支路的电流值。基尔霍夫定律，是一种冶金学学科的一种专有名词。

基尔霍夫电流定律

基尔霍夫电流定律：电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。

基尔霍夫定律建立在电荷守恒定律、欧姆定律及电压环路定理的基础之上，在稳恒电流条件下严格成立。当基尔霍夫第一、第二方程组联合使用时，可正确迅速地计算出电路中各支路的电流值。

由于似稳电流（低频交流电）具有的电磁波长远大于电路的尺度，所以它在电路中每一瞬间的电流与电压均能在足够好的程度上满足基尔霍夫定律。因此，基尔霍夫定律的应用范围亦可扩展到交流电路之中。

基于修正定律的计算机模型与从三端口晶体管激光器收集的数据相符，可非常精确地预测出集成电路的频宽、速度和其他特性。通过研究三端口晶体管激光器中电子、光子和半导体的行为，研究人员将可开发出该器件在高速信号处理、集成电路、光通信及超级计算中的多种应用。

基尔霍夫定律的相关定义及相关原理？

一、基尔霍夫第一定律

汇于节点的各支路电流的代数和等于零，用公式表示为：

∑I=0

又被称作基尔霍夫电流定律（KCL）。

基尔霍夫第一定律的理论基础是稳恒电流下的电荷守恒定律。应用时，若规定流出节点的电流为正，则流向节点的电流为负。由此列出的方程叫做节点电流方程。

假设A节点连接着4条支路，那么我们就可以把这四条支路的电流设出来，I1,I2,I3,I4。设流入为正，流出为负，那么总有：I1+I2+I3+I4=0。

对于一个有n个节点的电路，可以列出n-1个独立的方程，组成基尔霍夫第一方程组。

二、基尔霍夫第二定律

沿任意回路环绕一周回到出发点，电动势的代数和等于回路各支路电阻（包括电源的内阻在内）和支路电流的乘积（即电压的代数和）。用公式表示为：

∑E=∑RI

又被称作基尔霍夫电压定律(KVL)。

基尔霍夫第二定律的理论基础是稳恒电场条件下的电压环路定理，即：沿回路环绕一周回到出发点，电位降为零。电流及电动势的符号规则是：人已选定一绕行方向，电流方向与绕行方向相同时电动势符号为正，反之为负。由此列出的方程叫做回路电压方程。

例如在一个简单的回路ABCD上有一个电源E，内阻为r，分别有R1,R2,R3三个电阻。选择绕行方向为顺时针，在这个简单的电路中只有一个回路，所以电流都是I。

那么有： rI+R1I+R2I+R3I=E

其实在更为一般的电路中一个回路的各个边上的电流并不一定相等，但是仍然可以将各个边上的电流设出来（如果未知的话，可以计算出来的就不要设了，表示一下就可以。），用同样的方法进行计算。

三、基尔霍夫电路定律的应用

当电路中各电动势及电阻给定时，可任意标定电流方向，根据基尔霍夫方程组即可*的解出支路的电流值。基尔霍夫定律是电路计算的理论基础，根据基尔霍夫定律可以导出其他一些有用的定理：例如网孔电流定理，回路电流定理，节点电压定理等等，这些定理给电路计算带来了很大的方便，是电路分析和计算的有效工具。

基尔霍夫定律在稳恒条件下是严格成立的，在准稳恒条件下，即整个电路的尺度远远小于电路工作频率下的电磁波长时，基尔霍夫定律也符合得很好。在交流电中，基尔霍夫定律和向量法、拉普拉斯变换（Laplace Transform）的结合使用，可以让交流电路如同稳恒电路一样大大简化

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