HSC Physics 的基尔霍夫电流与电压定律

\(5.0\ \text{A}\) 的电流到达一个接点。其中一条支路有 \(2.0\ \text{A}\) 的电流流出，另一条支路则有 \(4.0\ \text{A}\) 的电流流出。这种情况能持续发生吗？

先预测一下，再继续读下去。如果每秒有 \(5.0\ \text{C}\) 的电荷流入，却有 \(6.0\ \text{C}\) 的电荷流出，那么这个接点就必须莫名其妙地每秒产生 \(1.0\ \text{C}\) 的电荷。这是不可能的。

现在试另一个问题。一个电荷绕著含有 \(12\ \text{V}\) 电池的电路完整走一圈。如果没有其他电源，电路元件产生的电压降总和可能是 \(15\ \text{V}\) 吗？同样不可能。否则，这个电荷每库仑所失去的能量，就会比电池提供的还多。

这两个问题正是基尔霍夫定律存在的原因。基尔霍夫电流定律追踪接点处的电荷。基尔霍夫电压定律则追踪回路中的单位电荷能量。两者配合使用，就能分析比单纯串联或并联规则更复杂的电路。

01基尔霍夫定律背后的两个守恒概念

在看方程式之前，先想像电路实际上正在做甚么。

电流量度电荷通过某一点的速率：

\[ I=\frac{q}{t} \]

其中 \(I\) 是以安培（A）为单位的电流，\(q\) 是以库仑（C）为单位的电荷量，而 \(t\) 是以秒（s）为单位的时间。如果你需要重温这个概念，可以参阅 以电荷流率理解电流：在 HSC Physics 中使用 I = q/t。

想像一个火车站，只有一个入口和数个出口。如果每分钟有 100 人进站，但只有 80 人离开，站内就必然会愈来愈挤。如果站内人数保持稳定，那么每分钟进站的人数就必须等于每分钟离开的人数。

电路接点中的电荷流动也有类似情况。这个类比并不完全精确，因为电荷并不是在导线中奔跑的小通勤者，但「数量平衡」这个概念很有用：电荷不能在接点处凭空消失。

理解电压时则需要另一种思考方式。电势差表示每库仑电荷转移了多少能量。一个 \(12\ \text{V}\) 电池会为每一库仑通过它的电荷提供 \(12\ \text{J}\) 的能量。

如果这个电荷沿著闭合回路完整走一圈，最后回到起点，那么它的电势净变化必须为零。因此，由电源提供的每库仑能量，必须与回路其他部分转移出去的每库仑能量互相平衡。

因此，每当电路变得复杂时，我们可以问两个问题：

02基尔霍夫电流定律：电荷不能在接点处消失

假设电流 \(I\) 到达一个接点，并分成电流 \(I_1\) 和 \(I_2\)。

对稳定电路而言，

\[ I=I_1+I_2 \]

更一般地，

\[ \sum I_{\text{流入}}=\sum I_{\text{流出}} \]

符号 \(\sum\) 表示「总和」。所以这条方程式只是说：

流入接点的总电流 = 流出接点的总电流。

这就是基尔霍夫电流定律，通常简称为 KCL。

为甚么电流可以分流，而不是把电荷本身分割

一个常见的错误想法，是想像每个电子到达接点后会被切成更小的部分。实际情况并非如此。

电流是电荷流动的速率。在接点处，载流子会进入不同的可用路径。如果每秒有 \(3.0\ \text{C}\) 的电荷到达，那么可能有每秒 \(1.0\ \text{C}\) 沿其中一条支路移动，而每秒 \(2.0\ \text{C}\) 沿另一条支路移动。

电流数值之所以分开，是因为流率被分配到不同路径。

KCL 会在某些情况下失效吗？

电荷守恒不会失效。

简单的「流入电流等于流出电流」叙述，假设你已把所有相关路径都包括在内，而且电荷不会持续累积在接点本身。在 HSC 程度通常分析的稳定直流电路中，这是一个非常好的模型。

如果电路包含正在充电的电容器等元件，就需要正确把充电电流计算在内。表面上出现不平衡，并不代表电荷守恒失效。

03基尔霍夫电压定律：回路中的能量必须平衡

现在把注意力从接点移开，沿著电路中的一条完整路径走一圈。

假设你从电池前方某一点开始，依次经过每个元件，最后回到完全相同的一点。由于你回到了相同的电势，所有电势上升和下降的总和必须为零。

因此，基尔霍夫电压定律（KVL）为

\[ \sum \Delta V=0 \]

其中 \(\Delta V\) 是回路每一部分的电势变化，单位为伏特（V）。

另一种常见但等价的表达方式是：

\[ \text{总电压上升}=\text{总电压下降} \]

这就是以每库仑电荷为基础所表达的能量守恒。

让 KVL 更容易处理的符号规则

选择一个方向沿回路前进。顺时针并不比逆时针更正确。只要选一个方向，并从头到尾保持一致即可。

对理想电压源而言：

• 从负极跨到正极时，电压上升，因此使用 \(+V\)
• 从正极跨到负极时，电压下降，因此使用 \(-V\)

对一个电阻为 \(R\)、通过电流为 \(I\) 的电阻器而言：

• 沿著电流方向通过电阻器时，电势变化为 \(-IR\)
• 逆著电流方向通过电阻器时，电势变化为 \(+IR\)

这里 \(V\) 是以伏特为单位的电势差，\(I\) 是以安培为单位的电流，而 \(R\) 是以欧姆（\(\Omega\)）为单位的电阻。关系式 \(V=IR\) 来自欧姆电阻器的欧姆定律。你可以在 HSC Physics 中的欧姆定律：电阻何时保持不变 中重温这个关系。

不要把这些正负号当成任意规则死记。应该问自己实际的物理过程是甚么。当你从电池负极移向正极时，电池可以提高电势。普通电阻器会把电能转移成其他形式，所以沿传统电流方向通过电阻器时，电势会下降。

04同时使用 KCL 和 KVL

当电路同时包含接点和多个可能的回路时，这两条定律最有用。

方法并不是「找出正确公式」，而是：

1. 设定电流变数
2. 在接点使用 KCL
3. 选择有用的闭合回路
4. 沿这些回路使用 KVL
5. 使用 \(V=IR\) 等元件关系式
6. 联立求解方程式
7. 从物理意义解读任何负号

假设一个理想 \(12\ \text{V}\) 电池先把电流送过一个 \(2\ \Omega\) 电阻器，然后到达一个接点。接著，电流分流到一条 \(6\ \Omega\) 支路和一条 \(3\ \Omega\) 支路，最后重新汇合。

设：

• \(I\) 为通过 \(2\ \Omega\) 电阻器的电流
• \(I_1\) 为通过 \(6\ \Omega\) 支路的电流
• \(I_2\) 为通过 \(3\ \Omega\) 支路的电流

在开始计算前，先预测哪一条并联支路应该有较大的电流。

\(3\ \Omega\) 支路的电阻较小。两条并联支路都连接在相同的两个接点之间，所以它们两端的电压相同。因此你应该预期 \(3\ \Omega\) 支路中的电流较大。

现在，基尔霍夫定律可以告诉我们究竟大多少。

05最容易造成问题的误解

学生看到电流通过电阻器后，可能会想：

电阻器用掉了一些电流，所以通过它之后的电流应该比较小。

这听起来似乎合理，因为电阻器的确会把电能转移成热能。的确有某些东西正在被转移。

但被转移的是能量，不是电荷。

在单一串联路径中，每个元件中的电荷流率都相同。如果每秒有 \(2.0\ \text{C}\) 的电荷通过第一个电阻器，那么每秒也必须有 \(2.0\ \text{C}\) 的电荷离开它。否则，电荷就会不断累积在电阻器内。

通过电阻器后改变的是每库仑电荷所具有的电势能。这就是为甚么会出现电压降。

请把这两个概念分清楚：

• 电流追踪的是每秒的电荷量
• 电压追踪的是每库仑的能量

KCL 处理第一项。KVL 处理第二项。

06负电流是资讯，不是错误

建立基尔霍夫问题的方程式时，你往往必须在还不知道真实方向之前，先自行选定一个电流方向。

这完全没有问题。

假设你认为 \(I\) 沿顺时针方向，解方程式后得到

\[ I=-0.60\ \text{A} \]

这个负号并不代表有甚么「负电」正在流动。它表示你原本画的箭头方向相反了。

实际电流大小是 \(0.60\ \text{A}\)，方向与原先假设相反。

这正是基尔霍夫方法强大的原因之一。你不需要在开始之前就猜对所有方向。但你必须始终保持符号一致。

07一个简洁的判断规则

遇到陌生电路时，不要立刻寻找等效电阻。

问自己：

有接点吗？
写出一条 KCL 方程式，把流入和流出的电流联系起来。

有闭合回路吗？
写出一条 KVL 方程式，使沿该回路的所有电势上升和下降总和为零。

有电阻器吗？
对欧姆电阻器，使用 \(V=IR\) 把电压、电流和电阻联系起来。

未知电流的计算结果是负数吗？
保留其大小，并把原先假设的方向反转。

你的最终答案是否同时符合电荷守恒和能量守恒？
在接受答案之前，检查接点的电流平衡和回路的电压平衡。

08问题与解答

问题 1

有 \(1.80\ \text{A}\) 的电流流入一个接点。其中一条流出支路有 \(0.40\ \text{A}\) 的电流。第二条支路中的电流为 \(I\)。求 \(I\)。

解答 1

未知电流为 \(1.40\ \text{A}\)，方向是从接点流出。

基尔霍夫电流定律要求流入接点的总电流等于流出接点的总电流：

\[ I_{\text{流入}}=I_1+I \]

代入数值，

\[ \begin{aligned} 1.80&=0.40+I\\ I&=1.80-0.40\\ I&=1.40\ \text{A} \end{aligned} \]

所以每秒有 \(1.40\ \text{C}\) 的电荷经第二条支路流出。两条流出支路合共承载 \(1.80\ \text{A}\) 的电流，与流入电流相等。

问题 2

一个理想 \(9.0\ \text{V}\) 电池与一个 \(3.0\ \Omega\) 电阻器和一个 \(6.0\ \Omega\) 电阻器接成单一回路。求电流以及每个电阻器两端的电压降。

解答 2

电流为 \(1.0\ \text{A}\)，而 \(3.0\ \Omega\) 和 \(6.0\ \Omega\) 电阻器两端的电压降分别为 \(3.0\ \text{V}\) 和 \(6.0\ \text{V}\)。

在回路中套用 KVL，

\[ 9.0-3.0I-6.0I=0 \]

所以

\[ \begin{aligned} 9.0-9.0I&=0\\ I&=1.0\ \text{A} \end{aligned} \]

在 \(3.0\ \Omega\) 电阻器两端，

\[ V_1=IR=(1.0)(3.0)=3.0\ \text{V} \]

在 \(6.0\ \Omega\) 电阻器两端，

\[ V_2=IR=(1.0)(6.0)=6.0\ \text{V} \]

检查：

\[ 3.0+6.0=9.0\ \text{V} \]

所以电压降总和等于电池的电压上升。沿回路的每库仑能量守恒。

问题 3

一个 \(10\ \text{V}\) 电池与一个 \(2.0\ \Omega\) 电阻器和一个 \(3.0\ \Omega\) 电阻器串联。一名学生说，第一个电阻器之前的电流一定比第二个电阻器之后的电流大，因为每个电阻器都会「用掉一些电流」。

求电路中的电流，并解释这名学生混淆了甚么概念。

解答 3

串联路径中的每一处电流都是 \(2.0\ \text{A}\)。电阻器会转移能量，但不会消耗电荷或电流。

套用 KVL：

\[ 10-2.0I-3.0I=0 \]

因此，

\[ \begin{aligned} 10-5.0I&=0\\ I&=2.0\ \text{A} \end{aligned} \]

第一个电阻器的电压降为

\[ V_1=(2.0)(2.0)=4.0\ \text{V} \]

第二个电阻器的电压降为

\[ V_2=(2.0)(3.0)=6.0\ \text{V} \]

所以

\[ 4.0+6.0=10\ \text{V} \]

这个容易出现的错误，是把电压和电流当成好像量度同一件事情。其实并不是。电流是电荷流动的速率，因此在这条单一串联路径上的每一点，都必须有相同的 \(2.0\ \text{A}\) 电流。电压描述的是每库仑所转移的能量，所以电压可以在每个电阻器两端下降，而电流仍保持不变。

问题 4

一个理想 \(12\ \text{V}\) 电池连接一个 \(2.0\ \Omega\) 电阻器。经过这个电阻器后，电路分成两条并联支路，分别包含 \(4.0\ \Omega\) 和 \(12\ \Omega\) 电阻器，之后再重新汇合。

设 \(I\) 为通过 \(2.0\ \Omega\) 电阻器的电流，\(I_1\) 为通过 \(4.0\ \Omega\) 支路的电流，而 \(I_2\) 为通过 \(12\ \Omega\) 支路的电流。

一名学生写出

\[ 12-2I-4I_1-12I_2=0 \]

作为一条 KVL 方程式。

解释为甚么这条方程式不是有效的单一回路方程式，然后求 \(I\)、\(I_1\) 和 \(I_2\)。

解答 4

这名学生的回路方程式无效，因为没有任何一条单一闭合路径会依次通过两个并联电阻器。正确电流为 \(I=2.40\ \text{A}\)、\(I_1=1.80\ \text{A}\) 和 \(I_2=0.60\ \text{A}\)。

在接点处，KCL 给出

\[ I=I_1+I_2 \]

经过 \(4.0\ \Omega\) 支路的回路给出

\[ 12-2I-4I_1=0 \]

另一个经过 \(12\ \Omega\) 支路的回路给出

\[ 12-2I-12I_2=0 \]

两条并联支路连接在相同的两个接点之间，所以它们的电压降必须相等：

\[ 4I_1=12I_2 \]

因此，

\[ I_1=3I_2 \]

利用 KCL，

\[ I=3I_2+I_2=4I_2 \]

把这个关系代入包含 \(12\ \Omega\) 支路的回路方程式：

\[ \begin{aligned} 12-2(4I_2)-12I_2&=0\\ 12-20I_2&=0\\ I_2&=0.60\ \text{A} \end{aligned} \]

因此，

\[ I_1=3(0.60)=1.80\ \text{A} \]

以及

\[ I=1.80+0.60=2.40\ \text{A} \]

检查电压降。在共用的 \(2.0\ \Omega\) 电阻器两端，

\[ V=(2.40)(2.0)=4.80\ \text{V} \]

所以每一条并联支路两端都必须有

\[ 12.0-4.80=7.20\ \text{V} \]

的电压。

对 \(4.0\ \Omega\) 支路而言，

\[ (1.80)(4.0)=7.20\ \text{V} \]

而对 \(12\ \Omega\) 支路而言，

\[ (0.60)(12)=7.20\ \text{V} \]

两个回路都符合 KVL，而接点也符合 KCL。

这个陷阱并不在代数，而在电路的几何结构。KVL 方程式必须沿著电路中一条实际存在的闭合路径建立。

问题 5

一个单一电路回路包含两个理想电池和两个电阻器。沿顺时针方向前进时，你先从第一个电池的负极跨到正极，因此有 \(6.0\ \text{V}\) 的电压上升。接著，你从第二个电池的正极跨到负极，因此有 \(9.0\ \text{V}\) 的电压下降。两个电阻器的电阻分别为 \(1.0\ \Omega\) 和 \(4.0\ \Omega\)。

假设电流 \(I\) 沿顺时针方向。

求 \(I\)，指出实际电流方向，并解释为甚么得到负值并不代表基尔霍夫电压定律失效。

解答 5

计算得到 \(I=-0.60\ \text{A}\)，所以实际电流为 \(0.60\ \text{A}\)，方向为逆时针。负号表示原先假设的方向与实际方向相反。

按照原先假设的顺时针方向，KVL 给出

\[ 6.0-9.0-1.0I-4.0I=0 \]

因此，

\[ \begin{aligned} -3.0-5.0I&=0\\ -5.0I&=3.0\\ I&=-0.60\ \text{A} \end{aligned} \]

所以电流大小为

\[ |I|=0.60\ \text{A} \]

但方向是逆时针。

这在物理上也合理。\(9.0\ \text{V}\) 电源比 \(6.0\ \text{V}\) 电源更强，因此净驱动电压为

\[ 9.0-6.0=3.0\ \text{V} \]

总电阻为

\[ R=1.0+4.0=5.0\ \Omega \]

所以电流大小为

\[ I=\frac{3.0}{5.0}=0.60\ \text{A} \]

基尔霍夫定律完全按照应有的方式运作。代数结果只是修正了一开始对电流方向的假设。

当你能够在接点使用 KCL、并在回路中使用 KVL 之间灵活切换后，更复杂的电路就不再只是各种特殊情况的集合。你可以透过追踪两个守恒量来分析它们：每个接点的电荷流，以及每条闭合路径中的每库仑能量。下一个有用的步骤，是把这些电流和电势差与电功率联系起来，这样你不但可以判断电荷和能量如何在电路中移动，也可以判断各元件转移这些能量的速率。