1.3 电路的工作状态和电气设备的额定值

根据电源和负载连接的不同情况，电路可分为通路、开路和短路三种基本状态。下面以简单的直流电路为例，讨论不同电路状态的电流、电压和功率。

1.3.1 电路的工作状态

1.有载状态

在图1-14所示的电路中，将开关S合上，接通电源和负载，该电路为有载状态，或称为通路。通路时，电路特征如下：

1）当电源一定时，电路的电流取决于负载电阻。根据欧姆定律可求出电源向负载提供的电流为

2）电源的端电压U和负载端电压相等，即

由于电源内阻的存在，电压U将随负载电流的增加而降低。

3）电源对外的输出功率（即负载获得的功率）等于理想电压源发出的功率减去内阻消耗的功率。

式（1-13）各项乘以电流I，可得电路的功率平衡方程为

UI=U_SI-R_SI²

式中，P_S=U_SI，P_S是电源产生的功率；ΔP=R_SI²，ΔP是电源内阻上损耗的功率；P=UI，P是电源输出的功率。

2.开路状态

将图1-14中的开关S断开时，电源和负载没有构成通路，称为电路的开路状态，如图1-15所示。此时电路特征如下：

1）电路开路时，断路两点的电阻等于无穷大，因此电路中电流I=0。

2）电源的端电压称为开路电压（用U_OC表示），即U_OC=U_S。

3）因为I=0，电源的输出功率P_S和负载吸收的功率P都为零。

3.短路状态

当电源两端由于工作不慎或负载的绝缘破损等原因而连在一起时，外电路的电阻可视为零，这种情况称为电路的短路状态，如图1-16所示。电路的特征如下：

1）电路短路时，由于外电路电阻接近于零，而电源的内阻R_S很小。此时，通过电源的电流最大，称为短路电流（用I_SC表示），即

2）电源和负载的端电压均等于零，即U=0。

3）因为电源的端电压即负载的电压U=0，电源对外的输出功率也为零，负载消耗的功率也为零，电源产生的功率全部被内阻消耗。其值为

短路时，电源通过很大的电流，产生很大的功率全部被内阻消耗。这将使电源发热过甚，使电源设备烧毁，可能导致火灾发生。为了避免短路事故引起的严重后果，通常在电路中接入熔断器或自动保护装置。但是，有时由于某种需要，可以将电路中的某一段短路，这种情况常称为“短接”。

1.3.2 电气设备的额定值

电气设备的额定值是综合考虑产品的可靠性、经济性和使用寿命等诸多因素，由制造厂商给定的。额定值往往标注在设备的铭牌上或写在设备的使用说明书中。

额定值是指电气设备在电路的正常运行状态下，能承受的电压、允许通过的电流，以及它们吸收和产生功率的限额。常用的额定值有额定电压U_N、额定电流I_N和额定功率P_N等。一个白炽灯上标明220V、60W，这说明额定电压为220V，在此额定电压下消耗功率为60W。

一般来说，电气设备在额定状态工作时是最经济合理和安全可靠的，并能保证电气设备有一定的使用寿命。

电气设备的额定值和实际值不一定相等。如上所述，220V、60W的白炽灯接在220V的电源上时，由于电源电压的波动，其实际电压值稍高于或稍低于220V，这样白炽灯的实际功率就不会正好等于其额定值60W了，额定电流也相应发生了改变。当电流等于额定电流时，称为满载工作状态；电流小于额定电流时，称为轻载工作状态；电流超过额定电流时，称为过载工作状态。

【例1-4】某一电阻R=10Ω，额定功率P_N=40W，试问：1）当加在电阻两端的电压为30V时，电阻能正常工作吗？2）若要使该电阻正常工作，外加电压不能超过多少伏？

解：1）根据欧姆定律，流过电阻的电流

此时电阻消耗的功率为

P=UI=30V×3A=90W

由于P＞P_N，该电阻将被烧坏。

2）若要电阻正常工作，根据

可得

可见，若要使该电阻正常工作，外加电压不能超过20V。

思考与练习

1.什么是电路的开路状态、短路状态、空载状态、过载状态以及满载状态？

2.电气设备额定值的含义是什么？

3.一只内阻0.01Ω的电流表可否接到36V的电源两端？为什么？