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第 2 章 第 2–3 週

基本定律

Basic Laws

這章是你整學期用最多次的工具。KCL 和 KVL 看起來簡單到不像定律,但第 3、4 章的所有方法都只是「怎麼有系統地列 KCL/KVL」而已。這章沒練熟,後面會很痛苦。

課本小節
  • 2.2 歐姆定律 Ohm's Law
  • 2.3 節點、路徑、迴路 Nodes, Branches, Loops
  • 2.4 KCL
  • 2.5 KVL
  • 2.6 串聯與分壓
  • 2.7 並聯與分流
  • 2.8 Y-Δ 轉換
概念 01

歐姆定律:電阻就是水管的粗細

Ohm's Law
白話講

同樣的水壓,水管越細,水流越小。電阻就是水管的細。

細水管(大電阻)=水難過去(電流小)。粗水管(小電阻)=水衝過去(電流大)。

v = i·R   R = ρ·ℓ / A   G = 1/R(電導,單位 S)
在說什麼第二條說電阻怎麼來的:材料電阻率 ρ 乘長度,除以截面積。管子越長越難過、越粗越好過——跟水管一模一樣。
兩個極端:短路 R = 0(電流隨便流,兩端沒電壓差)、開路 R = ∞(電流是 0,但兩端可以有電壓)。

套 v = iR 之前先看方向:電流要從電阻的 + 端流進去,這條式子才是 v = +iR。方向相反就是 v = −iR。第 3 章列式時這裡最容易掉負號。

概念 02

先學會數:節點、支路、迴路

Nodes, Branches, and Loops
白話講

把電路想成水管網:

節點 (node)=水管的接頭。重點:用一段純導線連起來的,全部算同一個節點,不管畫得多開。
支路 (branch)=一段水管(一顆元件)。
迴路 (loop)=繞一圈回到原點的路線。

b = ℓ + n − 1
在說什麼支路數 = 獨立迴路數 + 節點數 − 1。用來檢查你列的方程式夠不夠——不夠就解不出來,太多就會重複。

數節點是最常出錯的第一步。看到一條線把兩個點連起來、中間沒有任何元件 → 那是同一個節點。先把所有導線塗成同一個顏色,再數有幾種顏色,就不會數錯。

概念 03

KCL:接頭不會存水

Kirchhoff's Current Law
白話講

水管的接頭沒有肚子,流進去多少就得流出來多少。不可能有水憑空消失或囤在接頭裡。

就這樣。這就是 KCL。

Σ iin = Σ iout  或寫成 Σ i = 0(流出為正)
在說什麼任何一個節點,電流代數和為零。注意:也適用於任何一個封閉曲面(把好幾個節點圈起來當一個大節點)——這就是第 3 章「超節點」的來源。
考卷上會這樣寫 Find i₁ and i₂ in the circuit using KCL. 在節點上列:流進的總和 = 流出的總和。箭頭指向節點就是流進。先在圖上把每條支路的電流箭頭和名字標好再列式,不要邊想邊列。
概念 04

KVL:繞一圈回到原點,高度不變

Kirchhoff's Voltage Law
白話講

你在山裡走一圈回到出發點,總爬升一定等於總下降,因為你回到同一個高度了。

電壓就是高度。繞任何一個迴路一圈,電壓的代數和是 0。

Σ v = 0 (繞一圈)
在說什麼沿著迴路走,先碰到 + 就記 +v,先碰到 − 就記 −v(或整套反過來,只要你自己一致就好)。電阻上的電壓用 v = iR 代進去,就變成只含電流的方程式。

符號一致比符號正確重要。你可以選順時針也可以選逆時針,可以選「先碰 + 記正」也可以反過來——但整題只能用同一套。中途換規則是最常見的丟分原因。

概念 05

串聯分壓、並聯分流

Series & Parallel
白話講

串聯=水管接成一條長的。水流一樣大(電流相同),但每一段都分掉一點水壓。管子越細分到越多壓力。

並聯=水管分岔。壓力一樣(電壓相同),但水會挑好走的走。管子越粗分到越多水。

串聯 Req = R1 + R2 + …  v1 = v · R1/(R1+R2)
並聯 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …  i1 = i · R2/(R1+R2)
在說什麼分壓:自己的電阻放分子。分流(兩顆時):對方的電阻放分子。這個「分流用對方」最容易記反。
兩顆並聯的速算:Req = R1R2/(R1+R2)。三顆以上不能這樣兩兩亂套,要用倒數和。

分流為什麼用對方的電阻?因為並聯時電壓一樣,電流反比於電阻。電阻小的分到的電流多——所以 i1 大的時候 R1 應該要小,分子當然放 R2。想通一次就不用背了。

概念 06

Y-Δ 轉換:卡住的時候才用

Wye-Delta Transformation
白話講

有些電路你會發現:找不到任何兩顆電阻是純串聯或純並聯。這時候就卡住了。

Y-Δ 轉換就是把三顆排成「Y 字形」的電阻,換成排成「三角形」的三顆(或反過來),換完之後串並聯就出現了。像把拼圖轉個方向就塞得進去。

Δ → Y  R1 = Rb Rc /(Ra+Rb+Rc)
Y → Δ  Ra = (R1R2+R2R3+R3R1)/R1
在說什麼Δ→Y:分子是夾住這個點的兩顆相乘,分母是三顆的和。Y→Δ:分子是兩兩相乘的和,分母是對面那顆。
特例好記:三顆都一樣時 RY = RΔ/3。考選擇題常直接考這個。

什麼時候該想到它?當你盯著電路超過一分鐘、找不到任何串並聯可以化簡時。這是唯一的訊號。平常不要亂用,會越算越複雜。

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