基爾霍夫電路定律
電荷既不會憑空產生,也不會憑空消失,所以在任意一個節點處,流入的電流必須恰好等於流出的電流。能量同樣既不會憑空產生也不會憑空消失,所以沿任意一個閉合迴路繞一圈,把所有的電壓升高和降低加起來,總和必為零。
公式
ΣI_in = ΣI_out ; ΣΔV = 0
- I_in — 流入電流 (A): 流入某個節點的電流總和
- I_out — 流出電流 (A): 從同一個節點流出的電流總和
- ΔV — 電壓變化 (V): 迴路中某一部分上電壓的升高或降低
解題示例
一根導線中有6安培的電流流入某節點,在此分成兩條支路。其中一條支路的電流為4安培。另一條支路的電流是多少?
- I_in = 6 A
- I_out1 = 4 A
- I_out2 = I_in − I_out1
- I_out2 = 6 A − 4 A
I_out2 = 2 A
自我檢測
某節點現有9安培電流流入,分成兩條支路。其中一條支路電流為5安培。另一條支路的電流是多少?
- 正確答案: 4 A
- 14 A
- 5 A
答對了!流入電流必須等於流出電流:9 A − 5 A = 4 A。
沿電路中一個閉合迴路繞一整圈,把每一處電壓的升高和降低都加起來,總和必須等於多少?
- 總電流
- 正確答案: 零
- 電池電壓的兩倍
完全正確——能量是守恆的,所以沿迴路一圈的所有電壓升高和降低之和為零。
在哪裡能看到
你家的配線就像一棵由節點組成的樹:市電在配電箱分岔,到每個房間再分岔一次,而從一端流入的每一安培電流都會從另一端流出去——什麼也不會堆積。河流繞過島嶼分岔,則展示了大自然裡的節點法則:兩條支流承載的水量,正好等於單一河道帶到分岔處的水量。
常見誤解
典型的錯誤,是以為電流通過各種裝置時會被「用掉」——電荷是守恆的,所以流入節點的電流必定全部流出:流入 9 A,其中一條支路流過 5 A,另一條支路就正好是 4 A,一分不少。迴路法則則有它自己被誤用的方式:當一個迴路裡有多個元件時,電池的電壓並不會全部降在你偏愛的那個元件上——ΣΔV = 0 平衡的是整趟繞行,每一次升高都對應著每一次降落。要把這兩種守恆分清楚:節點守恆的是電荷,迴路守恆的是能量。
關聯知識
歐姆定律只為單一電阻器「標價」;這兩條定律則為整個電路網路記帳——而且兩者都是力學裡的守恆定律換上了電路的外衣(ΣI_in = ΣI_out 是電荷守恆,ΣΔV = 0 是能量守恆)。接下來的 RC 電路,是第一個行為會隨運行而改變的電路,而解它必須同時用上這兩條規則。