Все ли компоненты подчиняются действующему закону Кирхгофа?

Текущий закон Кирхгофа гласит, что суммарный ток через узел всегда равен 0. AFAIK это вытекает из принципа сохранения заряда. Мой вопрос, применим ли KCL к любому электрическому компоненту? Например, это применимо к транзисторам, интегральным схемам и т. Д.

Я думаю, что это должно быть применимо, потому что в противном случае компонент будет накапливать заряд с течением времени, что, я полагаю, не является стабильным или желательным (в общем случае) условием. Другая возможность может заключаться в том, что компонент будет иметь «утечку заряда». Например, компонент будет «выбрасывать заряд в воздух» и т. Д. В этом случае компонент не накапливает заряд, а заряд выводится из цепи. Я полагаю, что в целом этого не происходит.

Итак, мой вопрос, применим ли действующий закон Кирхгофа к любому элементу схемы? Например, если я сложу токи через контакты интегральной схемы в данное время, принимая во внимание направления тока, получу ли я 0 ампер? Аналогично для любых других элементов схемы. Есть ли случаи, когда чистый ток не равен 0 А?

Вы совершенно правы: из-за сохранения заряда, который является прямым следствием калибровочной симметрии электродинамики и, следовательно, нерушимого (согласно всем современным знаниям) закона природы, сумма тока по всем возможным путям суммируется за все время всегда точно ноль. В случае, когда ток не проходит через дискретные проводники, он известен как закон Гаусса .

Для реальных электронных компонентов действующий закон Кирхгофа является точным с той точностью, что весь ток протекает через выводы устройств. Это обычно очень хорошее приближение, так как любой дисбаланс в заряде имеет тенденцию уравновешиваться из-за электрического притяжения. Однако некоторые компоненты, такие как электронная пушка , специально это нарушают, и поэтому с точки зрения схемы явно нарушают закон Кирхгофа. Конечно, если учесть выходящий поток электронов, действующий закон снова действует.

Здесь есть небольшая, но важная оговорка: заряд должен сохраняться только в конце, а не в каждый момент времени отдельно. Это означает, что если есть компонент, который хранит чистый заряд, то ток может войти туда, подождать некоторое время в качестве заряда и выйти только позже. Тем не менее, ни один практический компонент не хранит значительный чистый заряд в течение какого-либо заметного промежутка времени. Это также относится к конденсаторам и батареям: конденсатор хранит одинаковое количество положительного и отрицательного заряда на своих пластинах, в то время как батарея имеет положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы, которые протекают (в виде электрического тока), чтобы встретиться друг с другом, когда цепь находится в операция. В обоих случаях сетьЗаряд всегда равен нулю, поэтому общий заряд постоянен, и действующий закон Кирхгофа все еще остается в силе. То же самое относится и к флэш-памяти , то есть накопленный заряд уравновешивается дыркой в полупроводнике.

Однако, как отмечает Фотон в своем ответе, для таких компонентов, как антенны, может быть небольшая, но ограниченная временная задержка между током, входящим в компонент и выходящим из него.

Тем не менее, для всех практических целей электроники, например, для сложной ИС, как конкретно указано в ОП, действующий закон Кирхгофа в точности соответствует.

Цепные законы Кирхгофа применяются к цепям с сосредоточенными элементами.

Если ваша схема содержит распределенные элементы, такие как линии передачи и антенны, вы не можете полностью рассчитывать на применение KCL.

Например, при анализе переходных процессов ток может мгновенно перетекать в антенну, не выходя в какой-либо другой узел схемы, по крайней мере, до 1/2 цикла позже. Если бы мы провели полный электромагнитный анализ ситуации, мы могли бы предположительно определить ток смещения от антенны к окружающей земле и другим элементам схемы, но обычно такой анализ слишком сложен, чтобы его можно было отслеживать.

Законы Кирхгофа предполагают, что мы можем разделить нашу схему на «компоненты», где весь заряд входит и выходит из компонентов через контакт, и что компоненты не имеют чистого заряда.

Это только приблизительная реальность. Все компоненты реального мира имеют емкость друг к другу и к вселенной в целом. При изменении напряжения эта паразитная емкость должна заряжаться или разряжаться, что означает чистую передачу заряда между компонентами. Когда компоненты физически перемещаются, емкость между ними изменяется, и для поддержания постоянных напряжений необходимо движение чистого заряда.

Будет ли это влияние измеримо? это очень сильно зависит от скорости, на которой работает ваша схема, и размера ваших компонентов.