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克希荷夫定律:解出任何電路

當串並聯的捷徑用盡時,兩條簡單的守恆定律——電荷與能量的守恆——讓你解出任何網路,即使有好幾顆電池。

當串聯與並聯不夠用時

在多迴路網路的不同分支中放兩顆電池,那套俐落的「收攏成一個電阻」的把戲就失靈了——沒辦法把整體看成純串聯或純並聯。我們需要一套完全通用的方法,而它來自你早已信任的兩個觀念:電荷守恆能量守恆。克希荷夫在 1845 年把它們化成兩條電路定律。

電流定律:流入 = 流出

克希荷夫電流定律(他的第一定律)說:在任何導線交會的節點,流入的總電流等於流出的總電流。電荷不會在一點堆積或消失——這無非就是電荷守恆在電路裡的重述。

\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}

在每個節點,流入電流等於流出電流——電荷守恆。

電壓定律:繞一圈的能量

克希荷夫電壓定律(他的第二定律)說:如果你繞任一封閉迴路走一圈,把每一段電位變化加起來——經過電池上升、經過電阻下降——你必定回到出發點,所以這些變化的總和為零。一個電荷繞一圈回到家,既沒淨賺也沒淨賠能量;這就是能量守恆。

\sum_{\text{loop}} \Delta V = 0

繞任一封閉迴路,電位變化的代數和為零——能量守恆。

系統化的五步驟方法

範例:雙迴路、雙電池電路

兩條分支各自帶著一顆電池往上接到頂節點 a,第三條分支則經過一個電阻回到底節點 b。分支 1:\varepsilon_1 = 12 V 配 R_1 = 4\,\Omega。分支 2:\varepsilon_2 = 8 V 配 R_2 = 2\,\Omega。分支 3(共用的回路):R_3 = 4\,\Omega。我們要求三個分支電流 I_1, I_2, I_3