所有组件都遵守基尔霍夫电流定律吗?

电器工程 当前的 收费 基尔霍夫定律
2022-02-01 00:09:57

基尔霍夫电流定律指出,通过节点的净电流始终为 0。AFAIK 这源于电荷守恒原理。我的问题是,KCL 是否适用于任何电气元件?例如它是否适用于晶体管、集成电路等。

我的想法是它应该是适用的,因为否则,组件会随着时间的推移累积电荷,我认为这不是稳定或理想的(通常)条件。另一种可能性是该组件将“泄漏电荷”。例如,组件将“向空气中投掷电荷”等。在这种情况下,组件不是在积累电荷,而是电荷被移出电路。我想这通常也不会发生。

所以我的问题是,基尔霍夫电流定律是否适用于任何电路元件?例如,如果我通过考虑电流方向在给定时间将通过集成电路引脚的电流相加,我会得到 0 安培吗?对于任何其他电路元件也是如此。是否存在净电流不为 0 安培的情况?

3个回答

你完全正确:由于电荷守恒,这​​是电动力学规范对称性的直接结果,因此是牢不可破(根据所有当前知识)的自然定律,所有可能路径上的电流总和在所有时间求和总是完全为零。在电流不通过离散导体的情况下,它被称为高斯定律

对于现实生活中的电子元件,基尔霍夫电流定律精确到所有电流流过器件引脚的精度。这通常是一个非常好的近似值,因为电荷的任何不平衡都会由于电吸引而趋于平衡。但是,某些组件(例如电子枪)故意破坏了这一点,因此从电路的角度来看,明显违反了基尔霍夫定律。当然,如果考虑到流出的电子流,则现行定律再次成立。

现在这里有一个小而重要的警告:电荷只需要最终保存,而不是在每个时间单独保存。这意味着如果有一个组件存储电荷,电流可以进入那里,等待一段时间作为电荷,然后才退出。但是,没有任何实际组件在任何可感知的时间内存储可感知的净电荷。电容器和电池也是如此:电容器在其极板上存储等量的正电荷和负电荷,而电池具有带正电荷和带负电荷的离子,当电路接通时,它们会流动(作为电流)彼此相遇手术。在这两种情况下,网络电荷始终为零,因此总电荷是恒定的,基尔霍夫电流定律仍然成立。闪存也是如此,即存储的电荷由半导体中的空穴平衡。

然而,正如 The Photon 在他的回答中指出的那样,对于天线等组件,电流进入组件和离开组件之间可能存在一个很小但有限的时间延迟。

尽管如此,对于所有实际的电子用途,例如 OP 特别提到的复杂 IC,基尔霍夫电流定律完全成立。

基尔霍夫电路定律适用于集总元件电路。

如果您的电路包含分布式元件,例如传输线和天线,您不能指望 KCL 绝对适用。

例如,在瞬态分析中,电流可能会暂时流入天线,而不会流出到任何其他电路节点,至少直到 1/2 个周期后。如果我们对这种情况进行全面的电磁分析,我们大概可以确定从天线到周围地面和其他电路元件的位移电流,但通常这种分析过于复杂而难以处理。

基尔霍夫定律假设我们可以将电路划分为“组件”,其中所有电荷通过引脚进入和离开组件,并且组件没有净电荷。

这只是现实的近似值。所有现实世界的组件都对彼此以及整个宇宙都有电容。当电压发生变化时,必须对该杂散电容进行充电或放电,这意味着组件之间的电荷净转移。当组件物理移动时,它们之间的电容会发生变化,并且需要净电荷移动以保持电压相同。

这种影响可以衡量吗?这在很大程度上取决于电路工作的速度和组件的大小。