1.3 電路的工作狀態和電氣設備的額定值

根據電源和負載連接的不同情況，電路可分為通路、開路和短路三種基本狀態。下面以簡單的直流電路為例，討論不同電路狀態的電流、電壓和功率。

1.3.1 電路的工作狀態

1.有載狀態

在圖1-14所示的電路中，將開關S合上，接通電源和負載，該電路為有載狀態，或稱為通路。通路時，電路特征如下：

1）當電源一定時，電路的電流取決于負載電阻。根據歐姆定律可求出電源向負載提供的電流為

2）電源的端電壓U和負載端電壓相等，即

由于電源內阻的存在，電壓U將隨負載電流的增加而降低。

3）電源對外的輸出功率（即負載獲得的功率）等于理想電壓源發出的功率減去內阻消耗的功率。

式（1-13）各項乘以電流I，可得電路的功率平衡方程為

UI=U_SI-R_SI²

式中，P_S=U_SI，P_S是電源產生的功率；ΔP=R_SI²，ΔP是電源內阻上損耗的功率；P=UI，P是電源輸出的功率。

2.開路狀態

將圖1-14中的開關S斷開時，電源和負載沒有構成通路，稱為電路的開路狀態，如圖1-15所示。此時電路特征如下：

1）電路開路時，斷路兩點的電阻等于無窮大，因此電路中電流I=0。

2）電源的端電壓稱為開路電壓（用U_OC表示），即U_OC=U_S。

3）因為I=0，電源的輸出功率P_S和負載吸收的功率P都為零。

3.短路狀態

當電源兩端由于工作不慎或負載的絕緣破損等原因而連在一起時，外電路的電阻可視為零，這種情況稱為電路的短路狀態，如圖1-16所示。電路的特征如下：

1）電路短路時，由于外電路電阻接近于零，而電源的內阻R_S很小。此時，通過電源的電流最大，稱為短路電流（用I_SC表示），即

2）電源和負載的端電壓均等于零，即U=0。

3）因為電源的端電壓即負載的電壓U=0，電源對外的輸出功率也為零，負載消耗的功率也為零，電源產生的功率全部被內阻消耗。其值為

短路時，電源通過很大的電流，產生很大的功率全部被內阻消耗。這將使電源發熱過甚，使電源設備燒毀，可能導致火災發生。為了避免短路事故引起的嚴重后果，通常在電路中接入熔斷器或自動保護裝置。但是，有時由于某種需要，可以將電路中的某一段短路，這種情況常稱為“短接”。

1.3.2 電氣設備的額定值

電氣設備的額定值是綜合考慮產品的可靠性、經濟性和使用壽命等諸多因素，由制造廠商給定的。額定值往往標注在設備的銘牌上或寫在設備的使用說明書中。

額定值是指電氣設備在電路的正常運行狀態下，能承受的電壓、允許通過的電流，以及它們吸收和產生功率的限額。常用的額定值有額定電壓U_N、額定電流I_N和額定功率P_N等。一個白熾燈上標明220V、60W，這說明額定電壓為220V，在此額定電壓下消耗功率為60W。

一般來說，電氣設備在額定狀態工作時是最經濟合理和安全可靠的，并能保證電氣設備有一定的使用壽命。

電氣設備的額定值和實際值不一定相等。如上所述，220V、60W的白熾燈接在220V的電源上時，由于電源電壓的波動，其實際電壓值稍高于或稍低于220V，這樣白熾燈的實際功率就不會正好等于其額定值60W了，額定電流也相應發生了改變。當電流等于額定電流時，稱為滿載工作狀態；電流小于額定電流時，稱為輕載工作狀態；電流超過額定電流時，稱為過載工作狀態。

【例1-4】某一電阻R=10Ω，額定功率P_N=40W，試問：1）當加在電阻兩端的電壓為30V時，電阻能正常工作嗎？2）若要使該電阻正常工作，外加電壓不能超過多少伏？

解：1）根據歐姆定律，流過電阻的電流

此時電阻消耗的功率為

P=UI=30V×3A=90W

由于P＞P_N，該電阻將被燒壞。

2）若要電阻正常工作，根據

可得

可見，若要使該電阻正常工作，外加電壓不能超過20V。

思考與練習

1.什么是電路的開路狀態、短路狀態、空載狀態、過載狀態以及滿載狀態？

2.電氣設備額定值的含義是什么？

3.一只內阻0.01Ω的電流表可否接到36V的電源兩端？為什么？