Das aktuelle Gesetz von Kirchhoff besagt, dass der Nettostrom durch einen Knoten immer 0 ist. AFAIK Dies ergibt sich aus dem Prinzip der Ladungserhaltung. Meine Frage ist, ist KCL für jede elektrische Komponente? Dies gilt beispielsweise für Transistoren, integrierte Schaltkreise usw.
Mein Gedanke ist, dass es anwendbar sein sollte, da die Komponente sonst im Laufe der Zeit Ladung ansammeln würde, was meiner Meinung nach kein stabiler oder wünschenswerter (allgemeiner) Zustand ist. Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Komponente "undichte Ladung" wäre. Zum Beispiel würde die Komponente "Ladung in Luft werfen" usw. In diesem Fall sammelt die Komponente keine Ladung an, sondern die Ladung wird aus dem Stromkreis herausbewegt. Ich denke, das passiert im Allgemeinen auch nicht.
Meine Frage ist also, ob Kirchhoffs aktuelles Gesetz auf jedes Schaltungselement anwendbar ist. Wenn ich zum Beispiel die Ströme durch die Pins eines integrierten Schaltkreises zu einem bestimmten Zeitpunkt unter Berücksichtigung der Stromrichtungen addiere, bekomme ich dann 0 Ampere? Ähnliches gilt für alle anderen Schaltungselemente. Gibt es Fälle, in denen der Nettostrom nicht 0 Ampere beträgt?
Antworten:
Sie haben genau Recht: Aufgrund der Ladungserhaltung, die eine direkte Folge der Eichsymmetrie der Elektrodynamik und damit eines unzerbrechlichen (nach heutigem Kenntnisstand) Naturgesetzes ist, summiert sich die Summe des Stroms über alle möglichen Wege über alle Zeiten ist immer genau Null. In dem Fall, in dem der Strom nicht durch diskrete Leiter fließt, wird er als Gaußsches Gesetz bezeichnet .
Für reale elektronische Komponenten ist das aktuelle Gesetz von Kirchoff genau so genau, dass der gesamte Strom durch die Gerätepins fließt. Dies ist normalerweise eine sehr gute Annäherung, da jedes Ungleichgewicht in der Ladung aufgrund elektrischer Anziehung zum Ausgleich neigt. Einige Komponenten, wie beispielsweise eine Elektronenkanone , brechen dies absichtlich und brechen daher aus Schaltungssicht explizit das Kirchoffsche Gesetz. Wenn Sie den austretenden Elektronenstrom berücksichtigen, gilt natürlich wieder das derzeitige Gesetz.
Jetzt gibt es hier eine kleine, aber wichtige Einschränkung: Die Ladung muss nur am Ende erhalten werden, nicht zu jedem Zeitpunkt separat. Das heißt, wenn es eine Komponente gibt, in der die Nettoladung gespeichert ist, kann der Strom dort eintreten, einige Zeit als Ladung warten und erst später beenden. Keine praktische Komponente speichert jedoch eine nennenswerte Nettoladung für eine nennenswerte Zeitspanne. Dies gilt auch für Kondensatoren und Batterien: Ein Kondensator speichert eine gleiche Menge an positiver und negativer Ladung auf seinen Platten, während eine Batterie positiv geladene und negativ geladene Ionen aufweist, die (als elektrischer Strom) fließen, um sich zu treffen, wenn der Stromkreis eingeschaltet ist Betrieb. In beiden Fällen das NetzDie Ladung ist zu jeder Zeit Null, daher ist die Gesamtladung konstant, und das derzeitige Gesetz von Kirchoff gilt weiterhin. Gleiches gilt auch für Flash-Speicher , dh die gespeicherte Ladung wird durch ein Loch im Halbleiter ausgeglichen .
Wie das Photon in seiner Antwort hervorhebt, kann es jedoch bei Komponenten wie Antennen zu einer kleinen, aber endlichen Zeitverzögerung zwischen dem Ein- und Austritt des Stroms in eine Komponente kommen.
Für alle praktischen elektronischen Zwecke, zum Beispiel für einen komplizierten IC, wie er vom OP ausdrücklich erwähnt wird, gilt das derzeitige Gesetz von Kirchoff genau.
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Kirchoffs Schaltungsgesetze gelten für Schaltungen aus konzentrierten Elementen.
Wenn Ihre Schaltung verteilte Elemente wie Übertragungsleitungen und Antennen enthält, können Sie sich nicht darauf verlassen, dass KCL absolut angewendet wird.
Beispielsweise kann bei einer transienten Analyse ein Strom kurzzeitig in eine Antenne fließen, ohne zu einem anderen Schaltungsknoten zu fließen, mindestens bis 1/2 1/2 Zyklus später. Wenn wir eine vollständige elektromagnetische Analyse der Situation durchführen würden, könnten wir vermutlich einen Verschiebungsstrom von der Antenne zur umgebenden Erde und anderen Schaltungselementen identifizieren, aber normalerweise ist eine solche Analyse zu kompliziert, um nachvollziehbar zu sein.
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Kirchoffs Gesetze gehen davon aus, dass wir unseren Stromkreis in "Komponenten" unterteilen können, bei denen die gesamte Ladung über einen Stift in Komponenten ein- und austritt und dass Komponenten keine Nettoladung haben.
Dies ist nur eine Annäherung an die Realität. Alle realen Komponenten haben Kapazität zueinander und zum Universum im Allgemeinen. Wenn sich die Spannungen ändern, muss diese Streukapazität geladen oder entladen werden, was eine Nettoladungsübertragung zwischen den Komponenten bedeutet. Wenn sich Komponenten physisch bewegen, ändert sich die Kapazität zwischen ihnen und es ist eine Nettoladungsbewegung erforderlich, um die Spannungen gleich zu halten.
Wird dieser Effekt messbar sein? Das hängt sehr stark von der Geschwindigkeit ab, mit der Ihre Schaltung arbeitet, und von der Größe Ihrer Komponenten.
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