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キルヒホッフの法則
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キルヒホッフの法則は、電気回路の電圧や電流を計算するときに使う法則で、初めて聞く方もいるかと思いますが、電気の分野では超有名な法則です。
このキルヒホッフの法則には、キルヒホッフの電流則とキルヒホッフの電圧則があります。
キルヒホッフの電流則は「キルヒホッフの第一法則」とも呼ばれ、電流についての法則になります。また、キルヒホッフの電圧則は「キルヒホッフの第二法則」とも呼ばれ、こちらは電圧についての法則になります。
第二種電気工事士学科試験では、キルヒホッフの法則の内容について問われる問題は出題されませんが、学科試験の計算問題を解くときにこの法則を使う場合があるので、法則の使い方(考え方)だけはおぼえておくようにしましょう。
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キルヒホッフの電流則(キルヒホッフの第一法則)
キルヒホッフの電流則(第一法則)は電流についての法則で、電気回路の接続点に流れ込む電流の和と接続点から流れ出る電流の和が等しいという法則です。
したがって、キルヒホッフの電流則を図で表わせば次のようになります。
接続点とは、電線がつながっているところと考えておけばOKです。
ちょっと分かりにくいですか?
それではまた、水で例えて考えてみましょう。次のように二股に分かれている水道管があって、この水道管の中を水が流れているとします。
すると、水道管の分かれ道に流れ込んだ水は、分かれ道で分かれて流れていきます。この流れる「水」を「電流」として考えれば、キルヒホッフの電流則になります。
つまり、水道管の分かれ道(接続点)に流れ込む水(流れ込む電流)と分かれ道(接続点)から流れ出る水(流れ出る電流)が等しい。
これなら、なんてことはないですよね。
では次に、実際に電気回路で考えてみることにします。
次のように、電源に抵抗が2つ並列に接続されている回路を考えます。
この回路の場合、接続点は接続点①と接続点②の2つがあって、それぞれの接続点での電流は図の矢印の方向に流れます。接続点の方向を向いている矢印は「接続点に流れ込む電流」、接続点を向いていない矢印は「接続点から流れ出る電流」を意味しています。
ここで、この回路に流れる電流を次の図のように $I_1\sim I_4$ とします。
すると、キルヒホッフの電流則より次の式が成り立ちます。
$\therefore I_1=I_2+I_3$ …接続点①より
$\therefore I_2+I_3=I_4$ …接続点②より
上の2つの式をざっくり簡単にいえば、接続点に入ってきた分の電流が接続点から出ていくよ!ということですね。
ちなみに、接続点①に流れ込んだ電流 $I_1$ は、2つの抵抗を通って接続点②から流れ出るので、$I_1=I_4$ となります。
キルヒホッフの電流則は、第二種電気工事士学科試験の回路の計算問題を解くときにもよく使われる法則なので、おぼえておきましょう。
より具体的な電気回路の計算方法、法則の使い方については、直流回路の計算(基本)のページや直流回路の計算(分圧と分流)のページなどで解説するので、これはここまで。
続いて、キルヒホッフの電圧則(第二法則)です。
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キルヒホッフの電圧則(キルヒホッフの第二法則)
キルヒホッフの電圧則(第二法則)は電圧についての法則で、閉回路内の起電力の和がその閉回路内の電圧降下の和に等しくなるという法則です。
前の項目のキルヒホッフの電流則と比べると、意味がよく分かりません。
なので初めに、法則で使われている言葉について一つずつ解説していきます。
閉回路について
まず法則の中に出てくる閉回路について説明します。
閉回路とは、「閉」している「回路」です。(すいません、もっと分からなくなった?)
つまり、閉じている回路のことで、閉じている回路というのは、途中で途切れていない次のようなぐるっと一周できる回路のことをいいます。
起電力について
次は起電力について説明します。
起電力は「電圧を発生する電源(電池とか)の電圧」とおぼえておけばいいでしょう。
先ほどの回路図でいえば、電圧 $V$[$\mathrm{V}$]のことになります。
電圧降下について
それから電圧降下ですが、電圧降下とは、ここでは「電源に接続されているものにかかる電圧」とおぼえておけばいいです。
「電源に接続されているもの」を「負荷」(下の図で言えば抵抗のこと)といいますが、この負荷にかかる電圧の大きさが電圧降下の大きさになります。回路図で説明すると次のようになります。
以上、閉回路、起電力、電圧降下の説明でした。
それでは、話を戻します!
閉回路、起電力、電圧降下の説明と、先ほどのキルヒホッフの電圧則を対応させてみると次のようになります。
したがって、キルヒホッフの電圧則をもうちょっと分かりやすくいいかえると、ぐるっと一周できる回路の「電源の電圧の合計」は、「電源に接続されている負荷にかかる電圧の合計」に等しくなる。
こんな感じになります。ちょっとは分かりやすくなってますか??
では、次のように電源が2つあって、抵抗が2つある電気回路で考えてみます。
この場合、
電源の電圧の合計 $=V_1+V_2$ …①
負荷にかかる電圧の合計 $=V_3+V_4$ …②
となり、キルヒホッフの電圧則より、この①式と②式が等しいので、
$\therefore V_1+V_2=V_3+V_4$
が成り立ちます。
キルヒホッフの電圧則は、電流則と同じように、第二種電気工事士学科試験の回路の計算問題を解くときにもよく使われる法則なので、おぼえておきましょう。
より具体的な電気回路の計算方法、法則の使い方については、直流回路の計算(基本)のページや直流回路の計算(分圧と分流)のページなどで解説するので、これもここまで。
キルヒホッフの法則について解説しましたが、電気回路の計算になれてくると、法則をあまり意識せずに計算できるようになるので、ここでは深く考えなくても大丈夫ですよ。
こちらの電験三種「理論」平成21年度 問6の過去問と解説のページでは、電験三種の直流回路の計算問題をキルヒホッフの法則を使って解いています。キルヒホッフの法則の使い方の参考になると思いますので、ついでに読んでみてもいいかもです。
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