初中電磁繼電器實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與應(yīng)用*

汪成瑞 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

1 引言

電磁繼電器利用電磁鐵，使較小的電流可以控制較大的電流，低電壓可以控制高電壓，直流電可以控制交流電，一般將其分為控制電路與被控電路[1].電磁繼電器的本質(zhì)就是一種“自動(dòng)開關(guān)”，有自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用.但是大多數(shù)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器相對(duì)于工業(yè)電磁繼電器較為落后，做工粗糙，不利于保存.在實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，觀察部件細(xì)微動(dòng)作的可見(jiàn)度較低，演示效果不明顯.我們把干簧管引入該試驗(yàn)，在水位預(yù)警器中對(duì)二者進(jìn)行比較.希望在鞏固電與磁基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，豐富課堂內(nèi)容，拓寬學(xué)生思路.

2 電磁繼電器的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 電磁鐵的原理

在日常生活中，我們可以看到通有電流的導(dǎo)線附近存在磁場(chǎng).這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng).為了定量研究電流的磁效應(yīng)，引入一個(gè)電流元Idl，其在磁場(chǎng)中受的力為

dF=Idl×B

(1)

恒定電流激發(fā)磁場(chǎng)的規(guī)律由畢奧-薩伐爾定律給出，假設(shè)J(x′)為源點(diǎn)x′上的電流密度.r為有x′點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)x的失徑，則場(chǎng)點(diǎn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(2)

式中μ0為真空磁導(dǎo)率，積分遍及電流分部的整個(gè)區(qū)域.對(duì)導(dǎo)線內(nèi)的電流來(lái)說(shuō)，電流集中分布在細(xì)導(dǎo)線上，用Idl表示閉合回路上的線元，導(dǎo)線的截面元為dSn，可得

JdV′=JdSndl=JdSndl

(3)

對(duì)導(dǎo)線積分后得Idl.因此，導(dǎo)線上的恒定電流激發(fā)磁場(chǎng)的畢奧-薩伐爾定律寫為[2]

(4)

對(duì)于單位長(zhǎng)度內(nèi)的匝數(shù)為n，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面半徑為R的螺線來(lái)說(shuō)，當(dāng)L?R時(shí)可近似地將其內(nèi)部磁場(chǎng)看成均勻的，計(jì)算軸向磁場(chǎng)時(shí)，把它看成多組圓線圈緊密地排列在一起，可忽略繞線的螺距，則螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

B=μ0nI

(5)

電磁學(xué)中把能夠影響磁場(chǎng)分部的物質(zhì)叫做磁介質(zhì).在磁介質(zhì)中把能使總磁場(chǎng)(原外磁場(chǎng)和介質(zhì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的疊加磁場(chǎng))比原外磁長(zhǎng)強(qiáng)度大大加強(qiáng)的磁質(zhì)稱為鐵磁質(zhì).除了可以在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)外，鐵磁質(zhì)還具有外磁場(chǎng)消失后仍能保持磁化狀態(tài)、相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，在一定溫度下可以變成順磁質(zhì)等性質(zhì).對(duì)于鐵磁質(zhì)將磁導(dǎo)率較大，磁滯損耗少，易磁化，也易消磁的磁質(zhì)稱為軟磁材料.電磁繼電器中要求電磁鐵鐵芯在通電時(shí)，能夠快速被磁化；相反在斷電時(shí)，能迅速消磁，所以鐵芯一般選用軟磁材料.這種材料在沒(méi)有外磁場(chǎng)的條件下鐵芯中的電子自旋磁矩可以自發(fā)地排列起來(lái)形成若干個(gè)微小的磁化區(qū)，即磁疇[3].在螺線管內(nèi)插入鐵芯，當(dāng)螺線管未通電時(shí)，鐵芯內(nèi)部各磁疇的磁矩方向不同，磁場(chǎng)互相抵消，所以整個(gè)材料對(duì)外就不顯磁性；當(dāng)給螺線管通入電流，由式(5)可知螺線管內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)的作用下，鐵芯內(nèi)磁疇磁矩方向趨于一致，因此鐵芯可吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì).在通電螺線管內(nèi)插入鐵釘，鐵釘可以吸引曲別針.一般把這種磁體叫做電磁體，如圖1所示.

圖1 自制電磁鐵實(shí)物圖

2.2 電磁繼電器的結(jié)構(gòu)及原理

電磁繼電器是一種被廣泛使用的繼電器，其一般由鐵芯、線圈、銜鐵、彈簧、動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)組成.靜觸點(diǎn)包括常閉觸點(diǎn)與常開觸電兩種.如圖2所示為電磁繼電器的結(jié)構(gòu)圖.其中，線圈和鐵芯構(gòu)成了電磁鐵，B為動(dòng)觸點(diǎn)，A為常閉觸點(diǎn)，C為常開觸點(diǎn).

圖2 電磁鐵的結(jié)構(gòu)圖

電磁繼電器的工作原理并不復(fù)雜，就是利用了電流的磁效應(yīng).如圖1所示，給電磁鐵D和E兩端加合適的電源，線圈內(nèi)有電流流過(guò)，便產(chǎn)生了磁場(chǎng)，線圈中間的鐵芯被磁化產(chǎn)生磁力，從而銜鐵在電磁引力的作用下吸向鐵芯，導(dǎo)致動(dòng)觸點(diǎn)B遠(yuǎn)離靜觸點(diǎn)A與靜觸點(diǎn)C相接觸.當(dāng)電磁鐵D和E兩端電源斷開，電磁鐵磁力消失，銜鐵在彈簧的彈力作用下銜鐵恢復(fù)原位，動(dòng)觸點(diǎn)B重新與靜觸點(diǎn)A相接觸.

2.3 電磁繼電器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

在中學(xué)物理教學(xué)中通常用圖3所示的電路圖向?qū)W生講解電磁繼電器.將電源、開關(guān)、滑動(dòng)變阻器與電磁繼電器的D和E端串聯(lián)，構(gòu)成電路1；將兩個(gè)小燈泡的一端與電源2正極相連接，另一端分別與常閉觸點(diǎn)A，常開觸點(diǎn)C相連，動(dòng)觸點(diǎn)B與電源2的負(fù)極相連，開關(guān)2，3保護(hù)電路通常處于閉合狀態(tài).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先將開關(guān)1斷開，觀察電路2的情況；再將開關(guān)2閉合，觀察電路2的情況.

圖3 電磁繼電器電路圖

2.3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示與結(jié)論

當(dāng)開關(guān)1斷開時(shí)，電磁繼電器處于未工作狀態(tài)，動(dòng)觸點(diǎn)B與常閉觸點(diǎn)A相互接觸，小燈泡1工作，如圖4所示；當(dāng)開關(guān)1閉合時(shí)，電磁繼電器工作，在電磁鐵磁力的作用下，動(dòng)觸點(diǎn)B與常開觸點(diǎn)C相互接觸，小燈泡2工作，如圖5所示.這樣便可以實(shí)現(xiàn)，用電路1控制電路2.

圖4 電磁繼電器未工作狀態(tài)下實(shí)物圖

圖5 電磁繼電器工作狀態(tài)下實(shí)物圖

2.3.3 電磁繼電器使用注意事項(xiàng)

在初中階段，對(duì)于電磁繼電器的部分，要求學(xué)生掌握電磁繼電器的構(gòu)造和原理，能根據(jù)要求連接電路，并且說(shuō)明電路的工作原理.在電磁繼電器實(shí)驗(yàn)中，要注意以下幾點(diǎn)：

(1)分清控制電路與被控電路，控制電路是使繼電器工作的電路，與激發(fā)磁場(chǎng)的裝置相連接，通常使用較小的電流和較低的電壓；被控電路一般與用電器相連接，通常使用較大的電流和較高的電壓，控制電路與被控電路是獨(dú)立工作的，一般不要把它們互相連接.

(2)分清繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)，圖2中電磁繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)單刀雙擲開關(guān)的閘刀，所以動(dòng)觸點(diǎn)是必須連接的，而靜觸點(diǎn)則根據(jù)實(shí)際需求來(lái)連接.

(3)分清用電器是在控制電路斷開時(shí)工作還是控制電路閉合時(shí)工作，從而選擇合適的繼電器或合適的端口.

這種傳統(tǒng)的機(jī)械觸點(diǎn)式電磁繼電器雖然可以幫助人們較為方便地控制電路,但是它也存在不足.在實(shí)際生產(chǎn)生活中，使用壽命相對(duì)較短、集成度較低.在中學(xué)物理教學(xué)中，為了使學(xué)生更為清晰地觀察其結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，一般采用較大的儀器，這樣必須增大控制電路的電流，學(xué)生在操作時(shí)安全性較低，并且可靠性不高.其次，該儀器在教學(xué)中使用頻率不高，在保存過(guò)程中容易出現(xiàn)銜鐵老化、觸點(diǎn)氧化、接觸不良，有些潮濕地區(qū)甚至還出現(xiàn)生銹腐蝕等問(wèn)題.

3 利用干簧管改進(jìn)電磁繼電器

3.1 干簧管的結(jié)構(gòu)與工作原理

干簧管也被稱為舌簧管或磁簧開關(guān)，它是由Western Electric公司在1940年發(fā)明的一種磁敏開關(guān),它具有體積小、反應(yīng)速度快、工作壽命長(zhǎng)、抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)，工作可靠性高[4].干簧管是由一個(gè)內(nèi)部充滿惰性氣體的玻璃管構(gòu)成主體，在玻璃管內(nèi)部通常有2到3個(gè)磁性材料所制成的金屬片，也叫簧片，圖6是一種兩簧片式干簧管的實(shí)物圖.在兩簧片的觸點(diǎn)部是可磁化的物質(zhì)(通常使用銠、金、銥、釕、鎢、鐵、鎳等物質(zhì)組成的合金)，兩簧片分隔的距離僅約幾個(gè)μm，在尚未操作時(shí)，兩簧片未互相接觸.如果將干簧管放入磁場(chǎng)中，在觸點(diǎn)部的兩簧片會(huì)產(chǎn)生不同極性的磁性.由于磁極極性相反而相互吸引，當(dāng)吸引力大于簧片的彈力時(shí)，分開的觸點(diǎn)便會(huì)吸合；當(dāng)磁力減小的一定值時(shí)，在簧片彈力作用下兩觸點(diǎn)便會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài).

圖6 干簧管的實(shí)物圖

3.2 利用干簧管自制電磁繼電器

3.2.1 自制繼電器結(jié)構(gòu)與原理

把細(xì)銅絲均勻地纏在干簧管外部，如圖7所示，給銅絲兩端加入適當(dāng)?shù)碾妷海~絲內(nèi)便會(huì)有電流流過(guò)，根據(jù)式(5)我們知道在銅絲周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)可以控制干簧管，這樣便制成一個(gè)簡(jiǎn)易的繼電器.

圖7 自制繼電器實(shí)物圖

3.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

把電源、開關(guān)、滑動(dòng)變阻器與干簧電磁繼電器上纏繞的銅線兩端串聯(lián)，構(gòu)成電路1；把電源、開關(guān)、小燈泡與干簧管的簧片兩端串聯(lián)，構(gòu)成電路2，其中開關(guān)2保護(hù)電路一般情況下處于閉合狀態(tài)，如圖8所示.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先將開關(guān)1斷開觀察電路2的情況，再將開關(guān)1閉合觀察電路2的情況.

圖8 干簧管繼電器電路圖

3.2.3 實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)與結(jié)論

當(dāng)開關(guān)1斷開時(shí)，銅線內(nèi)沒(méi)有電流通過(guò)，干簧管內(nèi)部?jī)苫善聪嗷ソ佑|，導(dǎo)致電路2斷路，小燈泡不亮，如圖9所示；當(dāng)開關(guān)1閉合時(shí)，干簧管外圍的銅線內(nèi)有電流流過(guò)，在其附近產(chǎn)生磁場(chǎng)，干簧管內(nèi)部的簧片被磁化，互相吸引，使得電路2通路，小燈泡正常工作，如圖10所示.這樣便可以實(shí)現(xiàn)，用電路1控制電路2.

圖9 干簧管繼電器未工作狀態(tài)下實(shí)物圖

圖10 干簧管繼電器工作狀態(tài)下實(shí)物圖

干簧管繼電器與傳統(tǒng)繼電器相比，不會(huì)出現(xiàn)金屬疲勞，保證了其在工作中的穩(wěn)定性.玻璃外殼便于學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察.在操作時(shí)也可用磁鐵代替螺線管，幫助中學(xué)生更好地理解磁化現(xiàn)象、電流的磁效應(yīng)及其相關(guān)的應(yīng)用.

3.2.4 干簧管繼電器使用注意事項(xiàng)

在使用干簧管繼電器時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

(1)干簧管的觸點(diǎn)和簧片小巧精致，所以不能承受高電壓或大電流，電流過(guò)大時(shí)，簧片會(huì)因過(guò)熱失去彈性，影響電路的穩(wěn)定性(學(xué)生電源不影響干簧管的工作).如果要用過(guò)大的電流，觸點(diǎn)式電磁繼電器是更好的選擇.

(2)干簧管是磁控開關(guān)，對(duì)磁場(chǎng)較為敏感，因此電路周圍存在比較復(fù)雜的磁場(chǎng)時(shí)，建議使用電磁繼電器.

4 干簧管繼電器改進(jìn)水位預(yù)警器

4.1 基于電磁繼電器的水位預(yù)警器

在初中物理中，電磁繼電器經(jīng)常在水位預(yù)警器中得到應(yīng)用.這種水位預(yù)警器是對(duì)電磁繼電器的控制電路進(jìn)行改裝，如圖11所示.當(dāng)水位低時(shí)，即水位未達(dá)到鐵片M時(shí)，控制電路斷路，電磁繼電器未工作，此時(shí)被控電路也處于斷路狀態(tài)，小燈泡不亮.當(dāng)水位變高，到達(dá)鐵片M時(shí)，控制電路接通，電磁繼電器開始工作，吸引銜鐵，使動(dòng)觸點(diǎn)B與靜觸點(diǎn)C相互接觸，被控電路形成完整電路，小燈泡工作，從而達(dá)到預(yù)警的目的.

圖11 水位預(yù)警器原理圖

在現(xiàn)實(shí)中，自來(lái)水的導(dǎo)電能力有限，有時(shí)水位達(dá)到鐵片M所處的位置，但電磁繼電器并不能正常工作，而且電通過(guò)水傳導(dǎo)，安全得不到保障，如圖12所示.因此需要對(duì)該裝置進(jìn)行改進(jìn).

圖12 電磁繼電器水位預(yù)警器實(shí)物圖

4.2 干簧管繼電器對(duì)水位預(yù)警器的改造

干簧管繼電器與電磁繼電器有相似之處，都屬于磁控開關(guān)，即用磁場(chǎng)控制電路閉合.因此在水位預(yù)警器中可以用干簧管替代電磁繼電器.將干簧管固定在預(yù)定水位，把電源、小燈泡、開關(guān)與干簧管兩端串聯(lián)，一帶有磁性的浮體置于水中的限位器內(nèi)，這樣便構(gòu)成了簡(jiǎn)易的水位預(yù)警器，如圖13所示.

圖13 干簧管水位預(yù)警器的實(shí)物圖

當(dāng)水面上升，浮體隨著水面而上升，浮體隨著水面升置預(yù)定水位時(shí)，浮體的磁場(chǎng)將干簧管簧片磁化，干簧管的兩簧片相接觸，被控電路從斷路變成通路，小燈泡開始工作，從而達(dá)到報(bào)警的目的，如圖14所示.

圖14 干簧管水位預(yù)警器效果展示實(shí)物圖

在制作該型水位預(yù)警器時(shí)要注意：

(1)選擇磁性恰當(dāng)?shù)母◇w，磁性過(guò)弱不足以磁化干簧管簧片，磁性過(guò)強(qiáng)預(yù)警靈敏度將會(huì)變小.

(2)干簧管放置時(shí)最好與水面平行，這樣可以提高預(yù)警的精準(zhǔn)度，若與水面垂直，預(yù)警水位范圍將會(huì)變大.

(3)使用浮體限位器，將浮體控制在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這樣可以避免浮體受水流等因素影響.

(4)與干簧管連接的導(dǎo)線材質(zhì)必須是銅或其他不易被磁化的材質(zhì)，這樣可避免磁場(chǎng)將導(dǎo)線磁化，從而影響干簧管工作.

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將干簧管引入初中電磁繼電器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)干簧管體積小、質(zhì)量輕、成本低，在具體實(shí)驗(yàn)中方便學(xué)生以小組為單位，對(duì)其觀察、實(shí)驗(yàn).

(2)反應(yīng)快、可靠性高，所需電流小，學(xué)生在安全操作的同時(shí)，也能較為容易地得完成實(shí)驗(yàn).

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于保存與學(xué)生觀察，由于干簧管的簧片被玻璃管密封在充滿惰性氣體的環(huán)境中，簧片不會(huì)輕易地被腐蝕，利于保存.