학문

키르히호프 전류 법칙이 성립하는 물리학적 근거

복잡한 회로망의 임의의 분기점으로 들어오는 전류의 총합과 그 점에서 나가는 전류의 총합이 항상 완전히 같다는 키르히호프 제1법칙이 전하량 보존 법칙에서 유도된 것이 맞나요?

1개의 답변이 있어요!

  • 안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

    네, 맞아요. 키르히호프 전류 법칙은 전하량 보존 법칙에 '전하가 분기점에 쌓이지 않는다'는 조건을 더해서 나와요.

    전류는 단위 시간에 지나가는 전하의 양이에요. 분기점으로 1초에 들어오는 전하가 나가는 전하보다 많다면, 그 차이만큼 전하가 분기점에 계속 쌓여야 해요. 그런데 분기점은 도선이 만나는 한 점이라 전하를 담아둘 공간이 거의 없어요. 조금만 쌓여도 그 점의 전위가 크게 올라가서 전하를 바로 밀어내요. 그래서 들어온 만큼 나갈 수밖에 없어요. 수도관 이음매로 들어온 물이 그대로 빠져나가는 것과 같아요.

    식으로는 전하 보존을 나타내는 연속 방정식 ∇·J = −∂ρ/∂t에서 출발해요. 전하 밀도 ρ가 시간에 따라 변하지 않으면 우변이 0이 되고, 분기점을 감싸는 닫힌 면에 대해 적분하면 들어오고 나가는 전류의 합이 0이라는 식이 나와요.

    수 GHz가 넘는 고주파 회로에서는 이 조건이 깨져요. 분기점과 주변 도체 사이의 작은 정전용량에도 전하가 드나들기 때문에, 이 변위전류까지 넣어서 계산해야 법칙이 맞아요 :)

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