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
∑ik=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
i1+i2−i3−i4+i5−i6=0 (1-3-1)
式(1-3-1)可改写为
i1+i2+i5=i3+i4+i6 (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
∑iI=∑iO
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:i1−i2−i6=0。
对节点②列写KCL方程:i2−i3−i4=0。
对节点③列写KCL方程:i3−i5+i6=0。
对节点④列写KCL方程:−i1+i4+i5=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i1−i4−i5=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:iA+iB+iC=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
iA=i1−i3
iB=i2−i1
iC=i3−i2
将3个方程的等号左边和右边分别相加可得
iA+iB+iC=0
即闭合面相交的所有支路电流的代数和等于零。