电路基本定律的分析研究

摘 要 随着国家科学技术的发展，电路问题逐渐和信息技术相互融合，而其中运用的电路基本定律却没有发生改变，因此本文对电路的基本定律进行简单的介绍，从坡印廷定律、基尔霍夫定律以及互易定律的分析入手，深入研究信息时代下电路发展。通过对电路基本定律的分析研究，让信息技术和电路进行全面的融合和应用，进而推动国家信息化不断发展进步。

关键词 电磁场；电路；守恒定律

引言

近年来，集成电路在各行各业中都得到了广泛的应用，是实现现代信息社会的基础。而电路的发展和形成，让集成电路的出现成为了可能，可以说如果没有电路知识的出现，那么集成电路就无法出现。集成电路是基于电路的基本定律而发明出来的，克服了电路中的一些缺点，缩小体积后形成的。因此加强對电路基本定律的分析和研究就有着十分重要的意义。

1 电路的基本定律

1.1 坡印廷定律

坡印廷定理回忆中电磁场能量守恒的定理，定理中表明在电磁场内的任意闭合面上，坡印廷矢量的外法向分量的闭面积分，等于闭合面所包围的体积中所储存的电场能和磁场能的时间减少率减去容积中转化为热能的电能耗散率[1]。

1.2 基尔霍夫定律

电路中的基尔霍夫定律分为两种一种是基尔霍夫电流定律一种是一基尔霍夫电压定律，前者针对电路节点后者针对电路回路。这两个定律能够分别电路中的电压和电流的计算。不论是电流还是电压定律都是电路中电荷守恒、能量守恒的一种具体体现。

1.3 互易定律

互易性定理是一种特殊的线性网络性质，而在电路中的互易定理其所表达的是在两个具有互异性的网络上端口上进行位置互换，也就是将输入端和输出端的端口进行互相，而在互换过程中其产生的响应并不发生改变的性质，现阶段这种定理被广泛被的应用到对灵敏度的分析和测量上。

2 电路基本定律的分析方法

2.1 坡印廷定律的分析方法

坡印廷定理是根据麦克斯韦方程组进行推导而来，在对坡印廷定理进行分析的过程中，首先需要考虑法拉第电磁感应定律，进而利用安培定律进行分析，在此基础之上，推导而成代表电磁能量守恒关系的坡印廷定理。对有麦克斯韦方程组推导而成的两个基本守恒定律中，可以看出守恒定律在线性直流网络中存在，在此基础之上可以进一步推导出基尔霍夫两定律，进而证明电路中其他的相关定律和定理，让电路问题分析更加具体和完整。

2.2 基尔霍夫定律的分析方法

基尔霍夫电流定律和电压定律，分别代表着某一节点的电流总和和所有离开这一节点的电流综合相等；后者代表着在闭合回路中电位上升和下降的代数和为零[2]。利用计算机技术，搭建相应的电路原理图，这种技术能够进一步提高分析能力，利用相应的交互界面，对电路原理进行测试，继而对电路的数据进行记录分析，得到基尔霍夫定律的具体内容。本文选用的是基于Windows的仿真工具，Multisim，在验证实验开始前，对电阻、电压源等电路中的相关元器件进行设置，并且记录原始数据。针对模型中的数据进行计算后，可以更加方便的求出电路中电压电流的计算问题。

2.3 互易定律的分析方法

互易定律实际上有三种不同的表现形式，其中，在只有一个独立的电压作为激励源的情况下，这个激励在相应的支路中，会对另一条支路产生电流响应。将这两条支路分别设为j和k，而电流响应则为ik，反之，激励源在经过支路k对支路j产出生的电流响应ij，根据互易定律，ik和ij应该相等。其具体的表示方法为如果us1=us2，那么ik=ij，因此得出互易前后对应支路中的电压和电流的关联关系一致。而另外一种形式则为，当电流源激励经过j支路时，此时k支路中会产生电压响应，反之让电流源经过k支路后，j支路产生的电压响应。两种电压响应分别设置为uk和uj。在交易定律中，如果电流源激励固定，则两次的电压响应相同，具体表示为：is1=is2，uk=uj。所得出的结论和第一种形式相同。而第三种形式是上述两种形式的集合，首先让电流源激励经过j支路，而此时k支路会产生一定的电流响应。

反之，将电流源激励变为数值相等的电压源激励，让其通过k支路，在互易定律下，此时j支路会产生和k支路的电流相应数值相等的电压响应。具体表示为，is=us而ik=uj，但是得出的结论和前两种结论不同，其表示为互易前后两对应支路中的电压和电流的关联关系相反。值得注意的是，在对互易定律的三种形式分析的过程中，若想要改变激励数值或者相应的方向必须要满足其他两条原则基础上，通改变两个变量，才能够得出最为准确的分析。比如，将一个仅含有电阻的二端口电路，作为试验道具，将两个端口进行互换，在只有一个激励源的时候，可以发现产生的响应和没有变换之前相同。实际上并非任何电路网络都具互易性质，比如，受控电源、非线性元件等形成的线路网络的互易性质就具有一定的随机性，而二端电阻元件、电感元件等电器连接而成的电路网络就一定具有互异性。

4 集成电路的发展

这些基本定律是电路中最为基础的定律，而在随着科学技术的提升微型电子器件和部件共同构成了集成电路，在这个集成电路中包括了电阻、电容、电感等元件，利用电路基本定定律和其他知识比如：晶体管、半导体等，发明出了集成电路，现阶段集成电路在各行各业中都发挥着重要的作用，是现代信息社会的基础，结合了各种学科知识，具有着多种不同的应用。和传统电路相比，集成电路的体积小，重量亲，且寿命较长，稳定新较高，性能好，能够进行大规模生产，不只是民用电子设备中，在军事中也得到了广泛应用，利用集成电路装配的电子设备，装配密度较高，设备的稳定工作时间也相对较长。目前世界上最先进的集成电路能够控制从电脑到家电的一切，是现代信息社会中重要的内容，虽然集成电路的成本较高，但是分散到产品上以后，就实现了成本最小化。

5 结束语

综上所述，电路的基本定律是电路分析计算中最为重要的应用，也是电路中电压电流计算的基本方法，想要提高电路分析能力，首先就要加强对电路基本定律的掌握，根据对不同的基本电路分析研究，全面的提高分析能力，并且将理论和实践进行全面的结合和应用。其中基尔霍夫定律、互易定律以及坡印廷定律都是电路中最为基础的定律，掌握这些定律应用到对复杂电路的分析中，能够有效降低复杂电路的难度。

参考文献

[1] 李桃.基尔霍夫定律的应用及验证[J/OL].现代工业经济和信息化，2017，（17）：70-72

[2] 李春彪，沈威东，朱焕强.电路分析中的方向与正负辨识[J].课程教育研究，2017，（13）：194-196.

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