1.3.3 基尔霍夫电压定律
基尔霍夫电压定律(Kirchhoff′s Voltage Law,KVL),又称回路电压定律。它是确定电路中一个闭合回路内各段电压之间的相互关系的定律。这个定律实质上是指电路中如果以某点为起点,沿电路指定的方向绕行一周后返回起点,则电位的变化为零,它体现了闭合回路中电势能守恒定律。
基尔霍夫电压定律(KVL)的内容如下:
在电路中,沿任一闭合回路,所有电压的代数和等于零,即
注意:应用式(1-44)列写基尔霍夫电压定律(KVL)回路电压方程时,首先选定一个回路的绕行方向,并确定各段电压降的参考极性,再根据基尔霍夫电压定律(KVL)列出表达式。
式(1-44)中各电压正、负号的约定为:在闭合回路的绕行方向上,参考极性电位降取正号,电位升取负号。
例1-11应用基尔霍夫电压定律,∑U=0,列出图1-41所示回路的电压方程。
解:
在图1-41中,回路的绕行方向为ABCA顺时针方向。已知回路中流过各电阻的电流参考方向,则各电阻上的电压降参考极性约定为取关联方向(即在电流方向上产生电位降低)。
图1-41 例1-11图
应用基尔霍夫电压定律(∑U=0),沿回路的绕行方向取电位降为正号,电位升为负号,列出回路电压方程为
I1R1+US1+I2R2-US 2-I3R3=0
基尔霍夫电压定律(KVL)还可以推广至任何有开口的回路(或称为广义闭合回路)情况。
在电路分析时,如果把回路开口处的两端点间用一个开口电压来表示,则具有开口的回路就可以看做是广义的闭合回路了,那么,基尔霍夫电压定律就可以推而广之,称为广义的基尔霍夫电压定律。
应用于电路中开口回路的广义的基尔霍夫电压定律表述为:在电路中,沿任意闭合回路(含开口回路),所有电压的代数和等于零,即
例1-12应用基尔霍夫电压定律(KVL)确定图1-42所示电路中的未知电压U1和U4。已知US1=12V,U2=2V,US2=6V,U3=-4V,US3=8V。
解:
在图1-42中,分别取两个网孔为两个回路,沿顺时针方向应用基尔霍夫电压定律(KVL)分别列回路电压方程。设沿选定回路绕行方向上电位降为正,电位升为负,则
由左网孔运用KVL,∑U=0,得
图1-42 例1-12图
U1+U2+US2-US1=0
代入数值
U1+2+6-12=0
得
U1=4V
由右网孔运用KVL,∑U=0,得
U3+US3+U4-US2-U2=0
代入数值
-4+8+U4-6-2=0
得
U4=4V
例1-13在图1-43中,已知US1=6V,US2=12V,R1=10Ω,R2=20Ω,I=-0.2A,试求端口电压Ucd。
图1-43 例1-13图
解:
选取顺时针绕行回路(见图 1-43)。由于c、d之间开路,所以,电阻 R3上电压为零。设Ucd为所求开口端电压,应用基尔霍夫电压定律(KVL)列写广义回路的电压方程,设沿选定回路绕行方向上电位降为正,电位升为负,则
UR3+Ucd+IR1-US1=0
即
Ucd=US1-IR1-UR3=6-(-0.2×10)-0=8V