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电磁铁和电磁继电器

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在本章20.0《电与磁》内容概要中,我们提及了电磁铁与电磁继电器。

在20.1《磁现象 磁场》中,我们讲到了奥斯特发现了电流的周围存在磁场。我们就是利用奥斯特的这个发现,来设计了电磁铁与电磁继电器。

电磁铁和电磁继电器

奥斯特的实验告诉我们,通电导线周围存在磁场,当导线中没有电流时磁场就会消失。

我们可以利用这一原理来方便的产生临时磁场(即需要时磁场产生,不需要时磁场消失)

电磁铁的概念

一根条形磁体,它的周围存在着磁场。这种磁体是一种永久磁体。永久磁体可以吸引铁钉、曲别针、钢针等铁磁性材料制作的物体。

简单电磁铁

如果把一根导线绕城螺线管,再在螺线管内插入铁芯(铁钉),当有电流通过时,它就会有较强的磁性。

需要说明的是,我们采用的导线应为漆包线,所谓的漆包线指的是金属导线的周围有油漆状的绝缘体包裹。这样做的目的,是为了避免通电导线与铁芯接触。有很多学生向王尚老师提问这个问题,所以在这里一并告知。

这种装置,会在有电流通过时有磁性(原因参考奥斯特实验),没有电流时就失去磁性。我们把这种磁体叫做电磁铁。

电磁铁工作

如图所示,我们可以利用起重机与电磁铁的配合,来非常方便和高效的清理和转移报废的汽车零部件(铁制品)。

请问同学们,在上图中处于工作状态的电磁铁,其电路是联通的还是断开的?

电磁铁的磁性强弱

实际中,根据工作的性质不同,需要电磁铁的磁性强弱也不同。那么电磁铁磁性的强弱与哪些因素有关呢?

我们知道,磁性强的磁体对铁磁性物质作用力大,研究电磁铁时,可以根据它吸引铁块、铁钉或曲别针等的多少来判断它的磁性强弱。特别指出,我们在初中阶段不会涉及到磁学中的计算。

实验:探究影响电磁铁磁性大小的因素

电磁铁的磁性与神秘有关系呢?我们还是通过如下图所示的实验来探究。

电磁铁

首先,电磁铁只有在线圈中通有电流时才有磁性,那么电流的大小应该会影响电磁铁磁性的强弱。

其次,构成电磁铁的主要部件是线圈,线圈的形状和匝数可能也会影响电磁铁的磁性强弱。

那对于外形相同的线圈,电磁铁磁性的强弱跟线圈的匝数会有怎样的关系?

铁芯对电磁铁有什么影响?

铁芯能够增强电磁铁的磁性,这是因为电路连通后,铁芯被螺线管的线圈形成的磁场磁化了。

利用上述实验的简易电磁铁,通过其对曲别针的吸引数量,来判定电磁铁的强弱。

我们发现电磁铁的磁性强弱规律性是:

有铁芯(铁钉)时,电磁铁磁性增强;线圈的匝数越多,电磁铁的磁性越强;电流越大,电磁铁的磁性越强。

电磁铁的广泛应用

电磁铁的实际用途很多,最直接的应用之一是电磁起重机。电磁铁安装在吊车上,通电后吸起大量钢铁,移动到另一个位置后切断电流,钢铁被放下。大型电磁起重机一次可以吊起几吨钢材。

家里的一些电器,如电冰箱、吸尘器中都有电磁铁。全自动洗衣机的进水、排水阀门,卫生间里感应式冲水器的阀门,也都是由电磁铁控制的。

再比如小区的门禁,旅游景点或火车站的查票通行装置等,都是利用电磁铁工作。

电磁铁应用-高速磁浮列车

磁浮列车的车厢和铁轨上分别安放着磁体,磁极相对。由于磁极间的相互作用,列车能够在铁轨上方几厘米的高度上飞驰,避免了来自车轮与轨道之间的摩擦力,突破了以往列车的速度极限,每小时可500km以上。

这几乎达到短程飞机航速,并且噪声低、动力损耗少、稳定性高。

2003年,我国上海市龙阳路至浦东机场的磁浮铁路成为世界上第一条商业运营的磁浮铁路。

电磁铁应用-电铃

上图是直流电铃的原理图。衔铁与弹性片相连,自然情况下弹性片是和螺钉接触的。

接通电源后电磁铁吸引衔铁,敲击铃碗发声,但同时弹性片与螺钉分离导致断电,电磁铁失去磁性后弹性片又和螺钉接触而通电,如此往复。

电磁铁应用-水位报警器

上图为一种水位自动报警器的原理图。水位没有到达金属块A时,绿灯亮;水位到达金属块A时,红灯亮。

请说明它的工作原理。

注意:虽然纯净的水是不导电的,但一般的水都能导电。

电磁铁应用-温度报警器

上图是一种温度自动报警器的原理图。

制作水银温度计时在玻璃管中封入一段金属丝,电源的两极分别与水银和金属丝相连。

当温度升高,达到金属丝下端所指的温度时,电铃就响起来,发出报警信号。说明它的工作原理。

电磁继电器

在制造工厂中,驱动巨大机器的电流可能达到几十安、几百安。有的电路环境特别恶劣,比如存在强酸强碱,靠近就会威胁到人体健康。

工人直接去用手来控制这些电路的开关,或对电路进行调整是非常危险的。

工人师傅按下的只是继电器的开关,而电源的接通和断开是由继电器控制的。

那么,什么是继电器?它是怎样工作的?

我们利用电磁铁的原理,采用较低的电压,较弱的电流,来远程控制这些电路。这样的装置,就是电磁继电器。

电磁继电器的作用:利用电磁继电器,可以用低电压、弱电流的控制电路来控制高电压、强电流、存在危险的工作电路,并且能实现远距离遥控和生产自动化。

其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。

当较低的电压加在接线柱D、E两端,较小的电流流过线圈时,电磁铁把衔铁吸下,使B、C两个接线柱所连的触点接通,较大的电流就可以通过B、C带动机器工作了。

工人师傅的按钮只控制电磁铁电流的通断,而高电压、强电流电路的通断则由B、C两个触点控制,这样人们就可以安全方便地操纵大型机械了。

《电磁铁、电磁继电器》基础知识巩固题

1、电磁铁定义:电磁铁是       。判断电磁铁磁性的强弱(转换法):根据电磁铁吸引       数目的多少来判断电磁铁磁性的强弱。

2、影响电磁铁磁性强弱的因素(控制变量法):(1)在电磁铁线圈匝数相同时,电流越大,电磁铁的磁性越       。(2)电磁铁的磁性强弱跟有无       有关,有       的磁性越强(3)当通过电磁铁的电流相同时,电磁铁的线圈匝数越多时,磁性越       

3、电磁铁和永磁铁相比,优点是:它的磁性有无可以由       来控制,它的磁性强弱可以由       来控制,它的南北极可以由       来控制。

4、如果在通电螺线管中插入一根铁棒,就能吸起更多的曲别针,这表明铁芯能使通电螺线管的磁场       。通电螺线管和它里面的铁芯就构成了       

5、小明同学在一个空心纸管上绕上一些漆包线,为了使导线通电后产生的磁场明显增强,可以采用的方法是       

A、拆去若干圈导线,使所绕导线电阻减少一些

B、在空心纸管内部放入一个尽量粗一些的铁芯

C、再多绕一些圈导线,并在空心纸管内部放入一个铜芯

D、在空心纸管内部放入任意材料的金属都可以

6、电磁继电器在生产、生活中应用非常广泛,它依据的物理原理是       

A、电流的磁效应

B、磁场对电流的作用

C、电荷间的相互作用

D、磁极间的相互作用

7、电磁继电器中的衔铁是       

8、通电螺线管插入铁芯后,磁性大大增强,其原因是       

9、关于电磁铁的说法,错误的是       

A、电磁铁通电时有磁性,断电时无磁性

B、匝数一定时,通过电磁铁的电流越大,它的磁性越强

C、在电流一定时,线圈匝数越多,它的磁性越强

D、当通入电磁铁的电流方向改变后,电磁铁就会失去磁性。

10、用电磁继电器控制电路的主要目的是       

《电磁铁、电磁继电器》基础知识巩固题答案

1、一个内部插有铁芯的螺线管   大头针

2、强   铁芯   铁芯   强

3、开关   电流的大小   电流的方向

4、增强   电磁铁

5、B

6、A

7、软铁

8、螺线管的磁性和被磁化的铁芯的磁性共同作用

9、D

10、避免危险

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