
キルヒホッフの法則
カンガルー先生電流則はお金の出入りと同じ。入った分だけ出ていく。電圧則は1周すればもとの電位に戻ることから来ているよ。
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- キルヒホッフの第一法則(電流則)は、分岐点で流れ込む電流の合計と流れ出る電流の合計が等しいという法則。
- キルヒホッフの第二法則(電圧則)は、閉回路を1周すると起電力(新しいタブで開きます)の和と電圧降下の和が等しいという法則。
- 2つの法則から連立方程式を立てることで、電池や抵抗が複雑につながった回路の電流も求められる。
詳しく
電流則と電圧則
電池や抵抗が複雑につながった回路は、オームの法則(新しいタブで開きます)と合成抵抗(新しいタブで開きます)の式だけでは解けないことがある。キルヒホッフの法則を使うと、どんな電気回路でも電流・電圧の関係式を立てて解くことができる。
キルヒホッフの第一法則(電流則)は、回路の1つの分岐点について、流れ込む電流の合計と流れ出る電流の合計が等しいという法則である。分岐点に流れ込む電流をI₁、流れ出る電流をI₂、I₃とすると、。電気量が分岐点にたまったり消えたりしないこと(電気量の保存)から導かれる。
キルヒホッフの第二法則(電圧則)は、回路の任意の閉回路について、1周する間の起電力の和と、抵抗による電圧降下の和が等しいという法則である。閉回路を1つの向きに1周するとき、起電力は電池の+端子に向かう向きに進むなら+、電圧降下は電流の向きに進むなら+と決めて式を立てる。
例題:2つの電池を含む回路
起電力5.0V・抵抗2.0Ωの電池と、起電力9.0V・抵抗3.0Ωの電池を、共通の抵抗1.0Ωに並列につないだ。各抵抗を流れる電流をI₁、I₂、I₃(共通の抵抗を流れる電流)とすると、電流則よりI₁+I₂=I₃。
電圧則を2つの閉回路に立てると、5.0=2.0I₁+1.0I₃、9.0=3.0I₂+1.0I₃。I₃=I₁+I₂を代入して整理すると、5.0=3.0I₁+I₂、9.0=I₁+4.0I₂の2式になり、これを解くとI₁=1.0A、I₂=2.0A、I₃=3.0A。
なぜこの2つの法則で回路が解けるのか
電流則は、電気量が回路のどこにもたまらないこと(電気量の保存)から成り立つ。分岐点に電気量がたまり続けたら、その点の電位はどんどん変わってしまうが、実際の回路ではそうならない。
電圧則は、閉回路を1周してもとの点に戻れば、電位はもとの値に戻ること(電位の保存)から成り立つ。直列・並列の合成抵抗の式も、実はこの2つの法則の特別な場合であり、電池が1つで単純な回路なら合成抵抗で十分だが、電池が複数ある回路やブリッジ状の回路(次のページ)ではキルヒホッフの法則が必要になる。
確認問題
確認問題(解答用紙)
スマホやタブレットで読み取ると、この問題をその場で解けます。
https://manazoo.com/science/kirchhoffs-laws/?from=print#quiz
回路の1つの分岐点に、2.0Aと3.0Aの電流が流れ込んでいる。流れ出る電流が1本だけなら、その電流は何Aか。
答え:____________
正解:5.0
電流則より、流れ込む電流の和と流れ出る電流の和は等しいので、2.0+3.0=5.0A。起電力4.0V・抵抗1.0Ωの電池と、起電力5.0V・抵抗1.0Ωの電池を、共通の抵抗0.40Ωに並列につないだ。共通の抵抗に流れる電流I₃は何Aか。
答え:____________
正解:5.0
各電池の枝の電流はI1=4.0−0.40I3、I2=5.0−0.40I3。電流則I1+I2=I3に代入すると9.0−0.80I3=I3より、I3=9.0/1.80=5.0A。キルヒホッフの第二法則(電圧則)のもとになっている考え方はどれか。
- ◯ 運動量が保存されること
- ◯ 分岐点で電気量が保存されること
- ◯ エネルギーがすべて熱に変わること
- ◯ 閉回路を1周すると電位がもとに戻ること
正解:閉回路を1周すると電位がもとに戻ること
閉回路を1周してもとの点に戻れば、電位は出発したときと同じ値に戻る。これが電圧則(起電力(新しいタブで開きます)の和=電圧降下の和)のもとになっている考え方である。分岐点に5.0Aの電流が流れ込み、2本の抵抗に分かれて流れ出た。1本に2.0A流れたとき、もう1本は何Aか。
答え:____________
正解:3.0
電流則より、流れ込む電流の和と流れ出る電流の和は等しいので、5.0−2.0=3.0A。
単元のポイント
- 電流則(第一法則) 分岐点に流れ込む電流の合計=流れ出る電流の合計(電気量の保存)
- 電圧則(第二法則) 閉回路を1周すると起電力の和=電圧降下の和(電位の保存)
- 連立方程式で解く 分岐点ごとの電流則と、閉回路ごとの電圧則を組み合わせて電流を求める