1.1.4 电流的热效应、电气设备额定值与电路的工作状态

1.电流的热效应

在电路中，由于电阻（导线的电阻、负载电阻等）的存在，当电路中有电流流过时，电阻消耗电能并转换成热能，使电气设备的温度上升。把电能不可逆转地转换成热能的现象，称为电流的热效应。电阻将电能转换为热能的计算公式为Q=I²RT，称为焦耳定律。

电流的热效应在电气设备中得到广泛的应用，如电烤箱、电暖气、电烙铁、工业电炉等。电流的热效应也有其不利的一面，它使工作中的电气设备发热，这不但消耗了电能，还会造成电气设备过早老化甚至烧坏。因此，在电气设备中应采取各种保护措施，以防止电流的热效应造成危害，常用的方法就是给电气设备吹风降温。

2.电气设备的额定值

电气设备的额定值反映了电气设备的使用安全性和电气设备的使用能力，是保证电气设备正常运行的规定使用值，有额定电流、额定电压和额定功率。

（1）额定电流（I_N）

为了避免电流的热效应造成的危害，使电器工作温度不超过最高温度，因此对通过它的最大电流进行限定，这个限定的最大电流称为额定电流，用I_N表示。不同电气设备的额定电流是不同的。电动机、变压器等电气设备的额定电流通常标注在铭牌上，也可从产品目录中查得。

（2）额定电压（U_N）

电气设备的绝缘材料不是绝对不导电的，如果作用在绝缘材料上的电压过高，绝缘材料会被击穿导电。另外，当电气设备的电流给定后，电压增加会使设备的功率也增加，可能会造成设备过载。为此必须限制电气设备的电压，这个限定的电压，就是电气设备的额定电压，用U_N表示。如果电源电压高于用电器的额定电压，千万不可接入，否则将会把用电器烧坏；如果电源电压低于用电器的额定电压，用电器也不宜接入，因为电压低，用电器也不能正常工作。因此，在使用各种电气设备之前，必须看清用电器的额定电压是否与电源电压相同。

（3）额定功率（P_N）

在电阻性负载的电气设备中，额定电流与额定电压之积，称为电气设备的额定功率，用P_N表示，即P_N=U_NI_N。

电气设备在额定功率下的工作状态称为额定工作状态，也称为满载；低于额定功率的工作状态称为轻载（欠载）；高于额定功率的工作状态称为过载（超载）。电气设备在额定状态下工作是最经济、合理、安全的。

【例1-3】一只额定电压为220V，额定功率为100W的白炽灯，当将白炽灯接入电压为240V的电路中时，流过白炽灯的电流为0.5A，此时白炽灯的实际耗散功率为多少？白炽灯能否长期正常工作？

解：当将此白炽灯接入240V电压时，白炽灯的耗散功率为

由计算可知，白炽灯的耗散功率大于白炽灯的额定功率，白炽灯亮度增加。但由于白炽灯过载使用，不能长期正常工作，会大大缩短其使用寿命。

3.电路的工作状态

（1）有载工作状态

如图1-12a所示，当开关闭合时，就会使负载与电源接通，形成闭合电路，电路便处于电源有载工作状态，此时电路的特征是有电流经过负载电阻。由全电路欧姆定律可知

电流大小

电源端电压U=U_S-IR₀=IR

当电源电压、内电阻不变时，电流的大小取决于负载电阻的大小，R越小，电流越大，反之，R越大，则电流越小；电源的端电压会随着电流的增大而减小，当R₀≪R时，则U≈U_S，说明当负载变化时，电源的两端电压变化不大，即带负载能力强。

注意：负载的大小是指负载取用的电流和功率。

电源输出的功率（负载取用的功率）也由负载决定，即P=UI=U_SI-I²R₀。

电气设备的输出功率与输入功率的比值，称为电气设备的效率，用η表示，即

效率越高输入能量的利用率越高，可以减少因能量损耗而引起的设备发热，从而降低设备成本，因此，应该尽量提高电气设备的效率。

（2）空载工作状态

如图1-12b所示，当开关S打开时，就会使负载与电源断开，形成开路，电路便处于空载工作状态，即断路或者开路工作状态。此时电路的特征是

电流I=0

开路电压U=U_S

负载功率P=0

实际电路在工作中，往往因为某个电器损坏而发生断路现象。当电路中某处断路时，断路处的电压等于电源电压。利用这一特点，可以帮助我们查找电路的开路故障点。

（3）短路工作状态

如图1-12c所示，当电源两端被直接用导线接通时，电源就被短路了。此时电路的特征是

短路电流

电源端电压U=0

负载功率P=0，电源产生的能量全被内电阻消耗掉，即P_S=ΔP=I²R₀

电路中的其他电器也有可能发生短路现象。当电路中某处短路时，短路处的电压等于零。

【例1-4】如图1-12a所示，已知U_S=100V，电源内阻R₀=0.2Ω、导线总电阻r₁=0.8Ω，负载电阻R=9Ω，试求电路正常工作、负载电阻被短路及电源两端短路时电路中的电流。

解：1）电路正常工作时

2）负载电阻被短路时

3）电源两端短路时

由此可见，电源短路的电流很大，危险性最大，一般不允许出现这种情况。