1.5 電路的工作狀態(tài)

由于電源所帶負(fù)載情況不同，電路存在不同的狀態(tài)。這些不同的狀態(tài)，表現(xiàn)在電路中的電流、電壓、功率等不同。其中有的狀態(tài)是異常的，應(yīng)盡量避免。因此，了解電路所處狀態(tài)的條件和特點(diǎn)，對(duì)合理用電和安全用電是非常重要的。

電路可能出現(xiàn)三種狀態(tài)，即通路、開路和短路。現(xiàn)以圖1.5.1所示最簡(jiǎn)單的直流電路為例，分析和討論電路處于這三種狀態(tài)時(shí)的電流、電壓和功率。

1.5.1 通路狀態(tài)

將圖1.5.1中的開關(guān)S合上，電源與負(fù)載接通，電路則處于通路狀態(tài)，又稱為有載狀態(tài)。

電路中電流為

式中，U_S為電源電壓，R₀為電源內(nèi)阻，U_S和R₀一般為定值。電源的端電壓為

由式（1.5.2）可得

式（1.5.3）兩邊乘以電流I，得

即

式中，IU_S是電源發(fā)出的功率P_S；I²R_L為負(fù)載消耗的功率；I²R₀是電源內(nèi)阻R₀消耗的功率。由此可見，電源發(fā)出功率之和等于電路中其他元件所消耗功率之和，這種關(guān)系稱為功率平衡。

由式（1.5.2）可知，當(dāng)電源的電動(dòng)勢(shì)U_S和內(nèi)阻R₀一定時(shí)，電源端電壓U隨著電流I的增大而減小，電源端電壓U與電源輸出電流I之間的關(guān)系曲線U=f（I）稱為電源的伏安特性曲線，如圖1.5.2所示。

電壓源內(nèi)阻R₀越大，在一定輸出電流情況下，內(nèi)阻R₀上電壓降越大，端電壓下降越大，伏安特性曲線越陡。內(nèi)阻R₀越小，伏安特性曲線越平坦。當(dāng)內(nèi)阻R₀為零時(shí)，內(nèi)阻R₀上的電壓降為零，U=U_S。由于電源內(nèi)阻R₀通常很小，當(dāng)R₀遠(yuǎn)小于R_L時(shí)，電源端電壓U隨電流I的增大而下降很少，實(shí)際的電源伏安特性曲線可以看成是一條微下斜的直線。

當(dāng)電路（電氣設(shè)備）中的電壓、電流和功率的實(shí)際值等于額定值時(shí)，電路（電氣設(shè)備）的工作狀態(tài)稱為額定狀態(tài)，即滿載狀態(tài)。在額定狀態(tài)下工作時(shí)，可充分利用設(shè)備容量；當(dāng)實(shí)際值大于額定值時(shí)，稱為過載，這將導(dǎo)致事故發(fā)生；當(dāng)實(shí)際值小于額定值時(shí)，稱為輕載或欠載，這時(shí)，設(shè)備不能得到充分利用、不夠經(jīng)濟(jì)或不能正常工作，有時(shí)甚至也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞。

1.5.2 開路狀態(tài)

在圖1.5.1所示電路中，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，電路則處于開路（Open Circuit）狀態(tài)，由于電路沒有接上負(fù)載，故也稱為空載狀態(tài)。這時(shí)，電路中沒有電流，此時(shí)電源的端電壓稱為開路電壓，又稱為斷路狀態(tài)，用U_OC表示，它等于電源U_S，即

1.5.3 短路狀態(tài)

在圖1.5.1所示電路中，由于某種原因使電源兩端直接短接時(shí)，電路則處于短路（Short Circuit）狀態(tài)。短路時(shí)，外電路的電阻為0。這時(shí)電流稱為短路電流I_SC，即

由于電源的內(nèi)阻R₀通常很小，故電源短路電流I_SC會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源的額定電流。這時(shí)，電源內(nèi)部消耗的功率很大，其值為P_S=I²R₀。如不及時(shí)切斷，將會(huì)燒壞電源。因此，在電路中必須采用短路保護(hù)，即當(dāng)電路發(fā)生短路事故時(shí)，立即切斷電路，使故障設(shè)備脫離電源。通常在電路中必須安裝斷路器或熔斷器等，以防止電源短路事故的發(fā)生。但是，有的時(shí)候，需要將電路中的某部分或某一元件兩端用導(dǎo)線連接起來，這種現(xiàn)象稱為短接。所以，短接是有目的的人為操作，而短路是一種意外事故。

特別提示

電源被短路時(shí)，短路電流比電路正常工作時(shí)大得多，時(shí)間稍長(zhǎng)，便會(huì)導(dǎo)致電路中的設(shè)備燒毀甚至引起火災(zāi)。因此，在實(shí)際電路中一定要避免電源被短路的現(xiàn)象。

例1.5.1 實(shí)驗(yàn)中測(cè)出某電源開路電壓U_OC=10V、短路電流I_SC=100A，求該電源電壓和內(nèi)阻。

解：由式（1.5.5）可得

U_S=U_OC=10V

由式（1.5.6）可得

【練習(xí)與思考】

1）電路可能存在哪幾種狀態(tài)？

2）什么叫額定狀態(tài)？什么是過載和輕載？

3）什么叫短路和短接？

4）負(fù)載開路時(shí)，圖1.5.1所示電路中的功率有多大？