3法則 1:キルヒホッフの電流法則
節点では、流入する電流の和と流出する電流の和が等しい。
\boxed{\sum I_{\mathrm{in}}=\sum I_{\mathrm{out}}}
3.1証明
節点に電荷が蓄積しない定常状態を考える。短い時間 dt の間に節点へ入る電荷量は
\left(\sum I_{\mathrm{in}}\right)dt
であり、出る電荷量は
\left(\sum I_{\mathrm{out}}\right)dt
である。節点に電荷が増減しないので、この 2 つは等しい。dt>0 で割って
\sum I_{\mathrm{in}}=\sum I_{\mathrm{out}}
を得る。
5整理 3:抵抗の直列合成と並列合成
抵抗の直列接続では、
\boxed{R=R_1+R_2+\cdots}
である。並列接続では、
\boxed{\frac1R=\frac1{R_1}+\frac1{R_2}+\cdots}
である。
5.1証明
直列接続では、すべての抵抗に同じ電流 I が流れる。全電圧は
V=V_1+V_2+\cdots=IR_1+IR_2+\cdots
である。したがって
V=I(R_1+R_2+\cdots)
なので、合成抵抗は R=R_1+R_2+\cdots である。
並列接続では、すべての抵抗に同じ電圧 V がかかる。全電流は
I=I_1+I_2+\cdots=\frac{V}{R_1}+\frac{V}{R_2}+\cdots
である。したがって
I=V\left(\frac1{R_1}+\frac1{R_2}+\cdots\right)
である。I=V/R と比べて、
\frac1R=\frac1{R_1}+\frac1{R_2}+\cdots
を得る。
6関係式 4:分圧と分流
2 つの抵抗 R_1,R_2 が直列なら、
\boxed{V_1=\frac{R_1}{R_1+R_2}V,\qquad V_2=\frac{R_2}{R_1+R_2}V}
である。2 つの抵抗 R_1,R_2 が並列なら、
\boxed{I_1=\frac{R_2}{R_1+R_2}I,\qquad I_2=\frac{R_1}{R_1+R_2}I}
である。
6.1証明
直列では電流 I が共通であり、
V=I(R_1+R_2)
である。したがって
I=\frac{V}{R_1+R_2}
である。各抵抗の電圧は V_1=IR_1、V_2=IR_2 なので、
V_1=\frac{R_1}{R_1+R_2}V,\qquad
V_2=\frac{R_2}{R_1+R_2}V
を得る。
並列では電圧 V が共通であり、
I=\frac{V}{R_1}+\frac{V}{R_2}
=
V\frac{R_1+R_2}{R_1R_2}
である。したがって
V=I\frac{R_1R_2}{R_1+R_2}
である。各枝の電流は I_1=V/R_1、I_2=V/R_2 なので、
I_1=\frac{R_2}{R_1+R_2}I,\qquad
I_2=\frac{R_1}{R_1+R_2}I
を得る。
9最終形
\boxed{\sum I_{\mathrm{in}}=\sum I_{\mathrm{out}}}
\boxed{\sum\Delta V=0}
\boxed{R_{\mathrm{series}}=\sum_iR_i,\qquad \frac1{R_{\mathrm{parallel}}}=\sum_i\frac1{R_i}}