毛頭小夥的大貢獻：基爾霍夫電流定律和電壓定律

上一期文章跟網友分享了18世紀的美國科學家、政治家富蘭克林和他的電荷守恆定律的故事。

電學中最典型、最常用的守恆定律要數19世紀德國物理學家基爾霍夫（GustavRobertKirchhoff，公元1824-1887年）提出的兩個電路學定律：基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。

基爾霍夫電流定律（基爾霍夫第一定律）可簡單表述為“所有進入某節點的電流的總和等於所有離開這節點的電流的總和”，它又稱為節點電流定律。所謂“電流”，就是單位時間內透過的電量，所以，基爾霍夫電流定律的物理背景是電荷守恆定律，在本質上它是關於電量的守恆規律。

基爾霍電流定律示意圖

基爾霍夫電壓定律（基爾霍夫第二定律）可簡單表述為“沿著閉合迴路所有元件兩端的電勢差（電壓）的代數和等於零”，它又稱為迴路電壓定律，其物理背景是能量守恆，在本質上它是關於電空間的守恆規律。

基爾霍夫電壓定律示意圖

基爾霍夫電流和電壓定律與其說是物理定律，不如說是數學原理，因為它們的基礎分別是電荷數量和電空間度量的守恆性。電流的本質是在單位時間內電荷的進出數量。電壓的本質是電的空間。基爾霍夫電流和電壓定律體現的是事物的數量邏輯性質，而不是物理性質，不是事物在相互作用中表現的性質。這兩個定律都極其簡單，但卻是電路分析中所必須用到的最基本的定律。這兩個定律是基爾霍夫在1845年提出的，當時他只是一個20歲出頭的毛頭小夥。

古斯塔夫·基爾霍夫

古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫1824年出生於德國東普魯士的哥尼斯堡，整整100年前出生於哥尼斯堡的還有一位赫赫有名的人物，這就是大哲學家康德。哥尼斯堡地方不大，卻是產生過不少的名人。二戰中納粹德國戰敗，這座城市被蘇聯佔領，名字被改為加里寧格勒。基爾霍夫身材瘦小柔弱，性格上缺乏自信心和決斷力，在他提出電流和電壓定律之後，柏林的物理學會向他提供了一筆贈款，以便他去巴黎去學習一年。但是基爾霍夫害怕法國革命的政治形勢，沒有去巴黎，後來去了柏林大學任教，30歲時當上了著名的海德堡大學的物理學教授。

基爾霍夫後來還發現，在細的導線中電流以波的形式並以光的速度傳導。這一發現對他的學生海因裡希·赫茲後來在無線電波方面的工作來說，是走出了關鍵性的一步。

基爾霍夫主要在光譜化學分析方面有傑出的貢獻。他和另一位著名的德國化學家本生（Bunsen）利用光譜法發現了銫、銣等新元素，發現了太陽的元素構成。他在1860-1862年提出的熱輻射定律（基爾霍夫定律）和絕對黑體概念成為普朗克量子論研究的先導。

作為守恆定律，基爾霍夫電流和電壓定律特別實用，既可以用於直流電路的分析，也可以用於交流電路的分析，還可以用於含有電子元件的非線性電路的分析。尤其在複雜電路的分析中，更顯示出其基礎性原理的價值。所以，這兩個定律雖然簡單，但不可小看，這是基爾霍夫對電路學的重大貢獻。

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