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電流是否「知道」走哪條路省電?

2020-07-16知識

抱歉之前想錯了...題主提的說法是對的...

對於線性無源網絡,給每個節點註入電流 I_i (滿足 \sum I_i=0 ),記由節點i直接流入節點j間的電流值為 I_{ij} ,給定約束 \sum_j^{j\ne i} I_{ij}=I_i ,即電荷守恒。那麽,真實存在的電流分布會使得如下函數在約束下取極小值

P = \sum_{i<j}I_{ij}^2R_{ij} = \frac{1}{2}\sum_{i\ne j}I_{ij}^2R_{ij}

而這個函數即為所有電阻元件上消耗功率之和。

為了證明這件事,我們需要考慮這樣一個約束極值問題如何求解。最通用的方法自然是拉格朗日乘子法。引入參數 \lambda_i ,我們考慮函數 L = \frac{1}{2}\sum_{i\ne j}I_{ij}^2R_{ij} + \sum_i \lambda_i\left(\sum_j^{j\ne i}I_{ij}-I_i\right) 的極小值問題以消去約束。將L對 I_{ij} 取偏導數,極值條件為偏導數為零,得(註意到 I_{ij}=-I_{ji} 為非獨立變量)

\frac{\partial L}{\partial I_{ij}}=I_{ij}R_{ij}+\lambda_i-\lambda_j=0

將上式沿一條環路求和,前一項為沿環路電勢升降之和,而後一項自相消去為零。我們便得到了沿環路電勢升降之和為零,即環路電壓定律。結合電荷守恒,我們透過取極小值得到得便是真實的電流分布。我們同時可以發現,引入的乘子 \lambda_i 為相應節點上電勢的負值。

其余討論無需改變。

原始回答:

跑個題?

事實上沒有什麽根據說電流一定走最省電的路徑

比較有根據的是下面這條:

對於線性無源網絡,給每個節點註入電流 I_i (滿足 \sum I_i=0 ),記兩節點間的電壓值為 U_{ij} 。那麽,真實存在的電壓分布(以及相應的電流分布)會使得如下具有功率因次的函數取極小值

L = \sum_{i\ne j}\frac{U_{ij}^2}{2R_{ij}} - \sum_i U_iI_i

從形式上來看,前一部份是各個電阻元件耗電量之和的一半,後一部份是從外部計算的功率的負值。這個玩意取極小值怎麽也對應不上更省電。

下面我們來證明這件事。將這個函數對 U_i 取偏導數,極值條件為導數為零

\frac{\partial L}{\partial U_i} = \sum_{j\ne i}\frac{U_i-U_j}{R_{ij}}-I_i=0

這個式子意味著什麽呢?第一項是從節點i流向所有其余節點j的電流之和,第二項是從外部流入節點i的電流。這兩項之差為零即代表電荷守恒,凈流入等於凈流出。也是真實電流分布所需要滿足的條件。

此外,容易看出函數L中的二次型是非負定的,因此極值點為極小值。

當然問題又來了,我們依舊可以問,為什麽電勢分布會使得這個函數取極小值?它在電路接通的一瞬間就知道整個電路的情況嗎?引入暫態過程可以逃過這個追問,但是,一個方程式組對應一個函數取極小值這件事其實是相當廣泛的,知乎上在這個問題下積累了一些討論