问题

在不同电路中,同一电源两端电压会发生变化吗?

回答
在一个理想状态下,同一电源两端电压是恒定不变的,就像一个完美的能量泵,无论你从它那里抽多少水,它的水压始终保持一致。然而,在现实世界的电路中,事情就没那么简单了。同一电源两端电压确实会发生变化,而且变化的原因和幅度与你所连接的电路紧密相关。

这就像你家水龙头,理论上它应该一直稳定地提供水压,但当你家其他地方用水量突然增加时,你手头的这个水龙头水流可能就会变小,水压也会随之下降。电路中的电源也是类似的道理。

影响电源两端电压变化的几个关键因素:

1. 电源的内阻(Internal Resistance)

这是导致电源电压变化最核心的原因。任何真实的电源,无论是电池、发电机还是稳压电源,内部都不是完美的。它们都有一个固有的、微小的电阻,我们称之为“内阻”,用 $r$ 来表示。

电源的本质: 你可以把电源想象成一个理想电压源(提供恒定电压)串联了一个小电阻(内阻)。
电压下降: 当电路中有电流流过电源时,根据欧姆定律,$U = I imes R$,这部分内阻也会产生一个电压降。
端电压的计算: 因此,电源两端的实际输出电压(也称为端电压),并不是理想电压源的电动势(EMF),而是电动势减去内阻上的电压降。用公式表示就是:
$V_{端} = mathcal{E} I imes r$
其中,$mathcal{E}$ 是电源的电动势(理想电压),$I$ 是流过电源的电流,$r$ 是电源的内阻。

举个例子: 假设你有一个12V的电池,它的内阻是0.1欧姆。

不接负载(开路): 当你什么都没接时,电路中没有电流流过 ($I = 0$)。这时,电池两端的电压就是它的电动势,即12V。
接一个较大的负载(小电阻): 如果你接了一个2欧姆的电阻作为负载。根据欧姆定律,$I = frac{mathcal{E}}{R_{总}} = frac{12V}{2Omega + 0.1Omega} approx 5.71A$。
此时,电池两端的实际电压就是:$V_{端} = 12V 5.71A imes 0.1Omega approx 11.43V$。
你会发现,电压从12V下降到了11.43V。
接一个非常小的负载(大电流): 如果你接一个0.1欧姆的电阻。那么电路中的电流会非常大:$I = frac{12V}{0.1Omega + 0.1Omega} = 60A$。
这时,电池两端的电压会大幅下降:$V_{端} = 12V 60A imes 0.1Omega = 6V$。
电压几乎减半!

2. 负载的性质和大小(Nature and Magnitude of the Load)

你连接到电源上的“负载”,也就是消耗电能的设备(如灯泡、电机、电阻、集成电路等),它的特性直接决定了流过电源的电流大小。

电阻性负载: 当你连接一个纯电阻时,电流与电压成正比。电阻越小,需要的电流越大,电源内阻上的电压降也就越大,端电压下降越明显。
感性负载(如电机、电感): 在电流变化时,感性负载会产生反电动势,这会影响实际的电流大小和变化速度,从而间接影响电源电压。例如,电机启动时,电流会瞬间增大,导致电源电压瞬间下降。
容性负载(如电容器): 容性负载在充电过程中会吸收电流,随着电容器电压升高,充电电流会减小。这也会导致电源端电压的变化,尤其是在瞬态充电过程中。
动态负载: 很多电子设备,特别是数字电路,它们的功耗是随着工作状态(如CPU运算频率、数据处理量)而变化的。这意味着流过电源的电流也在不断变化。例如,当你电脑CPU满载运行时,电源需要提供更大的电流,电压可能会比待机时略低一些。

3. 电源自身的稳定性(Source Stability)

不同的电源类型,其输出电压的稳定性差异很大。

干电池/蓄电池: 它们的内阻会随着使用时间、放电深度、温度等因素而变化。电池电量越低,内阻通常越高,电压下降也越明显。
稳压电源(如开关电源、线性电源): 好的稳压电源设计有反馈回路,可以实时监测输出电压,并调整内部工作来维持一个相对恒定的输出电压,即使负载变化,其输出电压的波动也会非常小。然而,即使是稳压电源,也并非绝对完美,在非常极端的负载变化下,或者电源本身设计有局限时,仍然可能出现微小的电压波动。
发电机/交流电源: 它们的电压还会受到转速(发电机)、负载变化引起的电枢反应、励磁电流等多种因素的影响。

4. 环境因素(Environmental Factors)

温度: 大多数电子元件,包括电源内部的元件和电池,其性能都会受到温度影响。高温可能导致内阻增加或电子元件性能下降,从而影响输出电压。低温也可能增加内阻。
频率(对于交流电源): 交流电源的电压还会受到电源频率的影响,虽然通常我们说的是“电压”,但频率的不稳定也会影响电器正常工作。

总结一下:

在理想化的电路分析中,我们常常假设电源是完美的,端电压恒定。但在真实的电路中,同一电源两端电压会发生变化,主要原因是电源自身的内阻以及你连接的负载的特性。

负载越大(消耗功率越大),流过电源的电流就越大。
电流越大,电源内阻上的电压降也就越大。
电源两端的实际输出电压 = 电源的电动势 内阻上的电压降。

因此,你连接的电路(负载)决定了电流,电流的变化直接导致电源端电压的变化。一个好的电源(内阻小,有稳压功能)能够最大程度地减小这种变化,但要做到绝对恒定,在现实世界中几乎是不可能的。

所以,下次当你感觉某个电器工作不太正常,或者电压表显示电源电压有点“飘”的时候,除了检查电器本身,也别忘了电源“力不从心”的可能性,这往往就藏在那个看不见的“内阻”里。

网友意见

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这个问题看似简单,但如果仔细推敲起来,它背后的知识还是蛮丰富的。

题主讨论的电源两端的电压其实就是路端电压,也就是加载在负载两端的电压。我们看下图:

由图1,我们有:

,式1

式1非常重要,它是我们分析题主问题的核心表达式。

式1中,Rx是电源内阻与线路电阻的合并值;R是电路负载的等效电阻;E是电源电动势,XT1和XT2是电源接线端子,U当然就是路端电压了。

我们注意看,路端电压U与Rx与R的比值有关。如果Rx的值远远小于R,甚至可以忽略不计,则路端电压U就等于电源电动势E;反之,如果Rx远远大于R,则路端电压U趋近于零。

以下我们分别针对干电池电源、稳压电源和交流电源来展开讨论。


1.干电池供电的路端电压

设想,我们把四只1.5V内阻为0.15Ω的电池串接起来,构成6V的电源,电源总内阻是0.6Ω。我们用此电池分别对6V1.5W的灯泡和10Ω的电阻供电。我们看下图:

图2中给出了两种不同情况,试问:这两种情况下路端电压U会有何种变化?

我们先求灯泡HL的电阻:

我们根据式1来算图2的1图(灯泡负载)路端电压U:

再看图2的2图(电阻负载)路端电压U:

我们看到,灯泡HL的电阻大于电阻R的阻值(10Ω),故灯泡电路的路端电压是5.8537V,而10Ω电阻的路端电压是5.6604V。由此可见,线路电阻加电源内部相对于负载电阻之比是决定路端电压的重要因素。

相同的电池,但两电路的负载不同,两个对应的路端电压也不同,这说明了什么?

2.稳压电源供电的路端电压

我们看下图:

从图3右侧的伏安特性曲线可以看出,只要电流不超过稳压电源的设计电流,则稳压电源对电路的供电电压Usc与电路等效电阻无关。若电流超过设计电流,电压将下降,调整晶体管会严重发热,甚至烧毁,故稳压电源电路中需要配套过电流保护。

对于稳压电源产品,也包括开关电源在内,如果电流大于电源额定电流,则电源输出电压会下降。当电流超过电源过载最大允许电流后,电源的保护会启动,电流降至零,电压亦为零,且必须人工手动复位。

由此可见,稳压电源的输出电压与电池输出电压完全不同。

3.交流配电网(交流电源)供电的路端电压

在供配电技术里,有一个很重要的规定:当供配电线路发生短路时,线路阻抗(包括电力变压器内阻在内)依然小于短路阻抗的1/50。也就相当于式1中的负载电阻R为短路点电阻Rk,而线路电阻Rx=Rk/50,我们把此参数代入到式1中,得到:

,式2

也就是说,即使发生了短路,短路点的电压依然近似等于原先的额定电压。我们把这种特性的配电网叫做无限大容量配电网。

我们看下图:

图4告诉我们一个重要事实:对于无限大容量配电网在短路前后系统电压基本不变。从图4中可以看到,短路后的电压波形u与短路前的电压u完全一致。

由此可见,交流配电网对于短路都可以做到电压基本不变,那么正常允许状态时负载数量发生改变又能奈何我哉?

对于低电压配电网,它是有限容量的,发生短路并持续时,电力变压器处的电压会下降到额定电压的50%,而用电设备处的电压会下降到额定电压的15%。但对于运行状态来说,只要负载容量不超过电力变压器容量的70%,则电压基本不变。

4.结论

题主提出这个问题探讨的对象,最大可能性指的是电池供电电路和稳压电源供电电路。通过以上讨论,我们已经知道两者的路端电压特性是不一致的。

由此可见,题主一定要把电池的伏安特性弄明白,把稳压电源的伏安特性弄明白,这是关键!

回答完毕。

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