電磁鐵與自動控制

杜勇

當(dāng)你通過小區(qū)門禁系統(tǒng)的驗(yàn)證時(shí)，門會自動打開：當(dāng)你按下電視機(jī)遙控器上的關(guān)機(jī)按鈕時(shí)，電視機(jī)的電源會自動切斷；當(dāng)自動洗衣機(jī)需要注水時(shí)，你會聽到“啪”的輕微聲響，同時(shí)注水開關(guān)自動打開了……所有這些自動控制現(xiàn)象中，都離不開一個(gè)重要的裝置——電磁繼電器，它在自動控制系統(tǒng)中屬于重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，沒有它，自動控制就很難實(shí)現(xiàn)，那么，電磁繼電器的原理是什么？結(jié)構(gòu)是怎樣的？它是怎樣執(zhí)行人們的意圖的？它的核心部分是電磁鐵，我們先從認(rèn)識電磁鐵開始，逐步了解電磁繼電器及其在自動控制中的作用。

一、認(rèn)識電磁鐵

1.電磁鐵的原理

1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電能生磁后，極大地激發(fā)了人們的探索熱情，為了增強(qiáng)通電直導(dǎo)線的磁性，人們把直導(dǎo)線彎成螺線狀，讓各圈導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場疊加在一起，使磁場得到增強(qiáng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)螺線管的磁場分布與條形磁鐵非常相似，磁場也有南北極，可以用安培定則來判斷，為了進(jìn)一步增強(qiáng)螺線管的磁性，人們在它的中間插入了鐵芯，發(fā)現(xiàn)磁性得到極大的增強(qiáng)，這是因?yàn)殍F芯被磁化后，它的磁場與螺線管原來的磁場進(jìn)一步疊加的結(jié)果，我們把插入鐵芯后的螺線管稱為“電磁鐵”。

可見，如果沒有電流的磁效應(yīng)，我們就無法制成電磁鐵。

2.影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素

前面我們知道了采用螺線狀和插入鐵芯能使通電導(dǎo)線的磁性增強(qiáng)，那么，還有什么方法可以進(jìn)一步增強(qiáng)它的磁性呢？

既然線圈磁場相互疊加能增強(qiáng)磁性，那么，是否線圈匝數(shù)越多，疊加后的磁性越強(qiáng)呢？電磁鐵需要通電才會產(chǎn)生磁性，那么，是否電流越大，產(chǎn)生的磁性就越強(qiáng)呢？下面我們可以做如圖1所示的探究實(shí)驗(yàn)來尋找答案。

由探究實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，電磁鐵的磁性強(qiáng)弱可以通過增大電流和增加電磁鐵線圈匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)，磁性有無可以通過電流有無來控制，它的N、S極可以通過改變電流方向來改變，這些優(yōu)點(diǎn)是永久磁鐵無法比擬的，也就決定了它在電磁起重機(jī)、電報(bào)機(jī)、電鈴等設(shè)備中的廣泛應(yīng)用。

二、認(rèn)識電磁繼電器

人們根據(jù)電磁鐵“磁性有無可以通過電流有無來控制”“磁性強(qiáng)弱可由電流大小來控制”的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，巧妙地制成了電磁繼電器，讓它在自動控制領(lǐng)域展現(xiàn)了魅力，讓我們一起來認(rèn)識它。

1.電磁繼電器的結(jié)構(gòu)

如圖2所示是一個(gè)水位報(bào)警器，它是電磁繼電器的一種典型應(yīng)用，它的核心部件是電磁鐵，通過銜鐵（杠桿）、彈簧、觸點(diǎn)來接通和斷開電路，從電路角度看，它分為左邊的控制電路和右邊的工作電路，這兩個(gè)電路被銜鐵處的絕緣體隔開了，當(dāng)水位上漲到接觸金屬A時(shí)，由于普通水具有導(dǎo)電性，會將控制電路接通，電磁鐵中有電流，產(chǎn)生磁性將銜鐵吸引下來，使工作電路中的紅燈發(fā)光而報(bào)警，當(dāng)水位消退列A以下后，電磁鐵磁性消失，在彈簧的作用下銜鐵被拉起，使綠燈電路接通而發(fā)光。

2.電磁繼電器的實(shí)質(zhì)

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，我們是通過控制電路中電流的有無來實(shí)現(xiàn)控制工作電路的，電磁繼電器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)自動開關(guān)。

3.電磁繼電器與自動控制

電磁繼電器是自動控制中重要的執(zhí)行部件，利用它可以實(shí)現(xiàn)低電壓、弱電流控制高電壓、強(qiáng)電流，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的自動操縱，依據(jù)控制電路實(shí)現(xiàn)通斷的方式，自動控制可以分為兩類：

（1）利用電流有無來控制電磁鐵磁性有無

我們常常利用雙金屬片、溫度計(jì)中的水銀等來接通或斷開控制電路，使電路中呈現(xiàn)電流有或無兩種狀態(tài)，來達(dá)到改變工作電路的目的，如圖2所示的自動水位報(bào)警器。

（2）利用改變電流大小來改變電磁鐵磁性強(qiáng)弱

在控制電路中，常利用光敏電阻、熱敏電阻、壓敏電阻的阻值隨光照、溫度和壓力的變化而變化，從而改變控制電路中的電流大小，進(jìn)而改變電磁鐵磁性強(qiáng)弱以實(shí)現(xiàn)控制電路的通斷。

例，超市里的扶梯，有人乘時(shí)運(yùn)行較快，無人乘時(shí)為了節(jié)能運(yùn)行較慢，請利用電磁繼電器按照要求用筆畫線代替導(dǎo)線，將圖3中的控制電路和工作電路分別連接完整，其中R是壓敏電阻（受到壓力時(shí)阻值較小，不受壓力時(shí)阻值較大），R是限流電阻.

解析：控制電路是由壓敏電阻決定的，可以直接連入電路，在工作電路中，由于電動機(jī)有運(yùn)行較快和較慢兩種狀態(tài)，對應(yīng)的就是電動機(jī)直接與電源相連、與電阻串聯(lián)這兩種連接方法，無人時(shí)，R阻值大，電流小，電磁鐵磁性弱，觸點(diǎn)應(yīng)該在上面，此時(shí)R應(yīng)該與電動機(jī)串聯(lián)；有人時(shí)，R阻值小，電流大，觸點(diǎn)應(yīng)該在下面，此時(shí)電動機(jī)應(yīng)該直接與電源相連。

答案：見圖4。

電磁繼電器利用了電流的磁效應(yīng)，利用它實(shí)現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵在于怎樣改變電磁鐵磁性的有無或強(qiáng)弱，這涉及利用什么樣的方式或電子器件來實(shí)現(xiàn)控制電路的通斷，相信聰明的你一定能找到更多、更巧妙的方法。

學(xué)即用，練一練

題，如圖5是一種“闖紅燈違規(guī)證據(jù)模擬器”的工作原理圖，壓敏電阻阻值隨壓力增大而變小，當(dāng)車輛闖紅燈時(shí)，光控開關(guān)接收到紅光會自動閉合，觸發(fā)電控照相機(jī)工作，拍攝違規(guī)車輛，請根據(jù)原理將電路連接完整。

參考答案

如圖6。

責(zé)任編輯：蔡華杰