1.5 电路的工作状态

由于电源所带负载情况不同，电路存在不同的状态。这些不同的状态，表现在电路中的电流、电压、功率等不同。其中有的状态是异常的，应尽量避免。因此，了解电路所处状态的条件和特点，对合理用电和安全用电是非常重要的。

电路可能出现三种状态，即通路、开路和短路。现以图1.5.1所示最简单的直流电路为例，分析和讨论电路处于这三种状态时的电流、电压和功率。

1.5.1 通路状态

将图1.5.1中的开关S合上，电源与负载接通，电路则处于通路状态，又称为有载状态。

电路中电流为

式中，U_S为电源电压，R₀为电源内阻，U_S和R₀一般为定值。电源的端电压为

由式（1.5.2）可得

式（1.5.3）两边乘以电流I，得

即

式中，IU_S是电源发出的功率P_S；I²R_L为负载消耗的功率；I²R₀是电源内阻R₀消耗的功率。由此可见，电源发出功率之和等于电路中其他元件所消耗功率之和，这种关系称为功率平衡。

由式（1.5.2）可知，当电源的电动势U_S和内阻R₀一定时，电源端电压U随着电流I的增大而减小，电源端电压U与电源输出电流I之间的关系曲线U=f（I）称为电源的伏安特性曲线，如图1.5.2所示。

电压源内阻R₀越大，在一定输出电流情况下，内阻R₀上电压降越大，端电压下降越大，伏安特性曲线越陡。内阻R₀越小，伏安特性曲线越平坦。当内阻R₀为零时，内阻R₀上的电压降为零，U=U_S。由于电源内阻R₀通常很小，当R₀远小于R_L时，电源端电压U随电流I的增大而下降很少，实际的电源伏安特性曲线可以看成是一条微下斜的直线。

当电路（电气设备）中的电压、电流和功率的实际值等于额定值时，电路（电气设备）的工作状态称为额定状态，即满载状态。在额定状态下工作时，可充分利用设备容量；当实际值大于额定值时，称为过载，这将导致事故发生；当实际值小于额定值时，称为轻载或欠载，这时，设备不能得到充分利用、不够经济或不能正常工作，有时甚至也会导致设备的损坏。

1.5.2 开路状态

在图1.5.1所示电路中，当开关S断开时，电路则处于开路（Open Circuit）状态，由于电路没有接上负载，故也称为空载状态。这时，电路中没有电流，此时电源的端电压称为开路电压，又称为断路状态，用U_OC表示，它等于电源U_S，即

1.5.3 短路状态

在图1.5.1所示电路中，由于某种原因使电源两端直接短接时，电路则处于短路（Short Circuit）状态。短路时，外电路的电阻为0。这时电流称为短路电流I_SC，即

由于电源的内阻R₀通常很小，故电源短路电流I_SC会远远超过电源的额定电流。这时，电源内部消耗的功率很大，其值为P_S=I²R₀。如不及时切断，将会烧坏电源。因此，在电路中必须采用短路保护，即当电路发生短路事故时，立即切断电路，使故障设备脱离电源。通常在电路中必须安装断路器或熔断器等，以防止电源短路事故的发生。但是，有的时候，需要将电路中的某部分或某一元件两端用导线连接起来，这种现象称为短接。所以，短接是有目的的人为操作，而短路是一种意外事故。

特别提示

电源被短路时，短路电流比电路正常工作时大得多，时间稍长，便会导致电路中的设备烧毁甚至引起火灾。因此，在实际电路中一定要避免电源被短路的现象。

例1.5.1 实验中测出某电源开路电压U_OC=10V、短路电流I_SC=100A，求该电源电压和内阻。

解：由式（1.5.5）可得

U_S=U_OC=10V

由式（1.5.6）可得

【练习与思考】

1）电路可能存在哪几种状态？

2）什么叫额定状态？什么是过载和轻载？

3）什么叫短路和短接？

4）负载开路时，图1.5.1所示电路中的功率有多大？