第 四节 电磁铁及其应用


学习目标
1.了解电磁铁的构造和工作原理。
2.知道电磁铁磁性的有无与电流的通断有关,磁性的强弱与电流的强弱及线圈的匝数多少有关。
3.通过探究影响电磁铁磁性强弱的因素,进一步体验控制变量法在研究多因素问題时的作用。
4.知道电磁继电器的结构和工作原理,了解电磁继电器就是利用电磁铁控制工作电路的开关。



知识复习:
1.磁体根据保持磁性的时间长短可分为_____和_____。软磁体的特点是被磁化后不能长期保持磁性,如____。
2.通电螺线管的磁极可用________进行判断。用右手握住螺线管,让四指弯曲且与螺线管中电流的方 向一致,则大拇指所指的那端就是通电螺线管的N极
3.在磁体的内部,磁场的方向是从磁体的___极指向___极。
4.磁体磁性强弱可用它吸引大头针或小铁钉______的多少来判断。
5.利用滑动变阻器控制电路中的电流时,应将它___联在电路中;电流表应与被测电路___联。

软磁体和永(硬)磁体 铁;右手螺旋定则;S N;数目;串 串




一 、电磁铁
定义:
插人了软铁棒的通电螺线管

工作原理分析:
由于铁芯被磁化后的磁场与通电螺线管的磁场一致,两磁场叠加在一起,故可使通电螺线管的磁性增强

二 、电磁铁的特点
1.实验探究:影响电磁铁磁性强弱的因素
猜想与假设:
(1)电磁铁的磁性强弱可能与电流大小有关。
(2)电磁铁的磁性强弱可能与线圈的匝数有关。
设计实验:
(1)实验器材:找两段相同长度为4—5 cm的硬纸管,管的粗细刚好能并排插入两根较大的铁钉,用漆包线在其中一根管上绕50匝的单层线圈,在另一根管上绕100匝的单层线圈,除去漆包线引出端的漆层。
(2)实验电路:

(3)实验方法:
①实验采用“控制变量法”,首先控制线圈的匝数不变,来探究电磁铁的磁性强弱与电流大小的关系;然后控制电流不变,来探究电磁铁的磁性强弱与线圈的匝数的关系。
②探究磁性强弱采用“转换法”:用电磁铁吸住铁块P,通过观察将铁块 P从电磁铁上拉开瞬间弹簧测力计的示数大小来判断电磁铁磁性的强弱。
进行实验:
(1)在50 匝线圈的管子中插人两根铁钉,将它接人电路,闭合开关,调节滑动变阻器的滑片,使电流表的示数分别为1 A和3 A,用电磁铁吸住铁块P,记下每次将铁块P从电磁铁上拉开瞬间弹簧测力计的示数。
(2)断开开关,将50匝线圈的管子取下,换上有100匝线圈的管子,中间插人两根铁钉。闭合开关,调节滑动变阻器的滑片,使电流表的示数分别 为1 A和3 A,用电磁铁吸住铁块P,记下每次将铁块P从电磁铁上拉开瞬间弹簧测力计的示数。
实验数据记录:

分析和论证:
(1)通过实验1和2(或3和4),我们可以得出,同一电磁铁(线圈匝数不变),通过的电流越大,弹簧测力计的示数越大,说明电磁铁的磁性越强;
(2)从实验1和3(或2和4)可以看出,在电流相同的情况下, 电磁铁线圈的匝数越多,弹簧测力计的示数越大,说明电磁铁的磁性越强。
实验结论:
(1)电磁铁的磁性强弱跟线圈中电流的大小有关,线圈中的电流越大,磁性越强;电流越小,磁性越弱。
(2)电磁铁的磁性强弱还跟线圈的匝数有关,匝数越多,磁性越强;匝数越少,磁性越弱。

2. 磁铁的特点
(1)电磁铁磁性的有无可以通过电流的通断来控制。
(2)电磁铁的极性可以通过电流的方向来控制。
(3)电磁铁磁性强弱与电流和匝数有关。

3.电磁铁的应用:
电磁起重机、电磁选矿机、电磁继电器、电铃等。

例1、为了探究“电磁铁的磁性强弱与哪些因素有关”,做了以下几次实验,实验现象如下图所示。根据图示现象回答下列问题:

(1) 通过观察图甲中A与B两个电磁铁,当通过线圈的电流相同时电磁铁线圈的匝数越多,它的磁性就越________。
(2) 通过观察图乙与图丙,当线圈的匝数相同时,通过电磁铁的电流越____它的磁性就越强。
(3)结论:影响电磁铁磁性强弱的因素有_______________________________。

答案:(1)强(2)大(3)通过电磁铁的电流的大小和线圈的匝数




三 、电磁继电器
1.主要部件及其作用
1.主要部件及其作用
(1) 电磁铁(A):通电时有磁性,能吸引衔铁。
(2) 衔铁(B):与动触点连在一起能移动。
(3) 金属弹簧片(C):当电磁铁失去磁性时,弹簧片与下端金属片的触点接通。
(4) 动静触点(D和E):使电路接通或断开。
(5) 结构示意图如下:

①用细的漆包线绕成线圈套在软铁芯上,组成电磁铁。
②铁芯固定在弯成直角形的软铁支架的右端,用软铁制成的衔铁安装在支架的左端。
③衔铁和金属推杆是一个整体,它们能以O为轴做小范围的转动。
④在绝缘物(图中深灰色的部分)上装有金属弹簧片,弹簧片的右端与推杆相连。
⑤弹簧片和两个金属片的右端都装有合金触点。
2. 电路的组成
(1) 控制电路:由电磁铁、低压电源、衔铁、开关等组成。
(2) 工作电路:由触点、用电器和髙压电源等组成。
3. 工作原理:
(1)当线圈不通电时,金属弹簧片C与下端金属片的触点接通,与上端金属片的触点断开。
(2) 接通开关时,有电流通过线圈,衔铁就被吸合到铁芯
(3) 此时推杆右端上升,推动金属弹簧片C向上,与上端金属片的触点接通,而与下端金属片的触点断开,这时工作电路接通,开始工作。
(4) 切断开关时,铁芯失去磁性,于是衔铁被释放,金属弹簧片c的弹力使它恢复原位,与下端金属片的触点接通,而与上端金属片的触点断开, 工作电路断开,停止工作。
4. 作用与实质:利用低压控制电路的通断就能间接控制髙压工作电路的通断,电磁继电器实质上就是利用电磁铁控制电路通断的开关。
5. 电磁继电器的工作过程
低压控制电路 电磁继电器 高压工作电路

6.电磁继电器的应用:
(1)可以通过控制低电压、弱电流电路的通断间接地控制高电压、强电流工作电路的通断,使人远离髙电压的危险;
(2)可以使人远离高温、有毒等环境,实现远距离操作,如下图所示;
(3)在电磁继电器控制电路中接入对温度、压力或光照敏感的元件,利用这些元件操纵控制电路的通断,还可以实现对温度、压力或光的白动拄制。其设计思路如下图所示。

例2 下图是拍摄机动车辆闯红灯的工作原理示意图。光控开关接收到红灯发出的光会自动闭合,压力开关受到机动车的压力会闭合, 摄像系统在电路接通时可自动拍摄违章车辆。下列有关说法中正确的是( )

A. 只要光控开关接收到红光,摄像系统就会自动拍摄
B. 机动车只要驶过埋有压力开关的路口,摄像系统就会自动拍摄
C. 只有光控开关和压力开关都闭合时,摄像系统才会自动拍摄
D. 若将光控开关和压力开关并联,也能起到相同的作用

解析:只有当红灯照射到光控开关且压力开关受到压力时,电磁铁所在电路才会接通,电磁铁才会具有磁性,吸引衔铁使摄像系统工作,故C 选项正确,A、B选项错误;若将光控开关和压力开关并联,則光控开关或压力开关有一个开关闭合,摄像系统就能工作,故D选项错误。
答案:C




四 、电磁阀控制车门
1.工作原理:使用压缩空气开关车门时,由电磁阀进行控制的工作电路。

1.工作原理:使用压缩空气开关车门时,由电磁阀进行控制的工作电路。
2.结构示意图:如下图所示,电磁阀由阀体Q、滑阀K、衔铁T1和T2、电磁线圈L1和L2组成。阀体是空心的,有4根管路,P为进气管, O为排气管,A和B连接到汽缸上。
3.工作过程:
(1) 打开车门:开关S接a→线圈L1通电→吸引衔铁T1→滑阀K推到左端→进气管P与A管接通→压缩空气进人汽缸左部→推动活塞N 向右运动→打开车门(同时汽缸右部的气体排到大气中)。
(2) 关闭车门:开关S接b→线圈L2通电→吸引衔铁T2—滑阀K推到右端→进气管P与B管接通→压缩空气进人汽缸右部→推动活塞N 向左运动→关闭车门(同时汽缸左部的气体排到大气中)。
4.电磁阀在其他的地方也有重要的应用,如全自动洗衣机的进水、排水阀门,卫生间感应冲水器的阀门等都是电磁阀的具体应用。




例3 下图是公共汽车上用电磁阀控制车门开、关的工作电路图,L1、L2是固定的电磁线圈。衔铁T1、T2通过横杆相连并可左右移动,带动传动装置使车门开启或关闭。当S接通触点b时,线圈______(选填”L1"或“L2”)具有磁性,吸引衔铁使横杆向_____(选填“左”或“右”)运动,带动传动裝置关闭车门。

解析:由题图可知,L1与L2不能同时工作,当S与b接触时,L2有电流通过,左侧线圈产生磁性,吸引衔铁乃T2,使橫杆向右运动。
答案:L2 右




例4 关于磁浮列车,下列说法中错误的是( )
A. 磁浮列车在制造时把车身做成流线型是为了减小空气阻力
B. 轨道中线圈是用导电性较好的铜线制成的,在常温下工作
C.列车能够浮起,是利用磁极间的相互作用规律
D.磁浮列车要比普通列车舒适得多,并且污染较小

解析:磁浮列车是利用磁场发生相互作用(或磁极间相互作用)的原理使列车浮起的。列车具有高速、舒适、无哚声、无污染等优点。列车和轨道上电磁铁的线圈用超导材料制成,为了减小空气阻力,列车车身要做成流线型。从这个特点看,B选项是错误的,因为铜在常温下 电阻“较大”,通过较大电流时会产生很多热量,可能将线圈烧毁。
答案:B




典型例题剖析
综合 巨磁电阻的综合
例1、(2017 •海南中考)如下图所示,GMR是一个巨磁电阻,其特性是电阻在磁场中会急剧减小,且磁场越强电阻越小。闭合开关S2后,下列四种情况相比较,指示灯最亮的 是( )

A. S1断开,滑片P在图示位置
B. S1闭合,滑片p在图示位置
C. S1闭合,滑片p在滑动变阻器最右端
D.S1闭合,滑片P在滑动变阻器最左端

解析:闭合开关S2后,要使指示灯最亮,电路中的电流应最大,则巨磁电阻的阻值应最小。根据題意可知,电磁铁产生的磁场需要最强,而电磁铁的磁性强弱与线圈的匝数和通过的电流有关,在线圈匝数一定时,电流越大則磁性越强,所以需要闭合开关S1,将滑片移至滑动变阻器连入电路电阻最小的位置,即最左端,故D选项符合题意。
答案:D




实践应用
例2 某同学设计了一种警示下水道井盖丢失的电路:在井口安装一灯 L,井盖相当于开关S;正常情况下(S闭合),灯L不亮;一旦井盖丢失(S断开), 灯L立即亮起,以警示行人。下图中的电路符合要求的是 ( )




解析:正常情况下,开关S闭合,电磁铁中有电流通过,所以电磁铁有磁性,吸引上面的衔铁,使下方的触点接通,灯L不亮,但A、C、D选项在开关S闭合时灯L都亮,这不符合题意。在B选项中,一旦井盖丢失,S断开,电磁铁没有了磁性,在弹簧拉力作用下,上方触点被接通,灯L立即亮 起,符合要求,故B选项正确。
答案:B




例3 现在有很多家庭开始安装并使用一种叫作自动空气开关的新型保险装置,当电路由于短路等原因导致电流过大时,开关会自动断开,切断电路,俗称“跳闸”,在找出电流过大的原因并把问题解决之后,手动重新闭合开关就可以了。
下图所示是空气开关的结构示意图,图中P是电磁铁,S是闸刀开关,Q是衔铁,可绕O轴转动。
(1) 电流不大时,电磁铁对衔铁也有吸引力,为什么不跳闸?
(2) 当电流过大时空气开关会自动跳闸,分析其工作过程并说明在跳闸后空气开关能否自动闭合。


答案:(1)电流不大时,电磁铁对衔铁的吸引力较小,不能克服衔铁与开关动触点间的摩擦力,所以不跳闸。(2)只有当电流过大时,电磁铁的磁性增强,吸引力足够大时,才能把衔铁吸引过来,使电路断开,起到限制电流的作用。跳闸后,自动空气开关的动触点在弹簧的作用下不会自动与静触点接触而使开关闭合,需要人工手动才能闭合。




例4 为探究“影响电磁铁磁性强弱的因素”,小明用电池(电压一定)、滑动变阻器、数量较多的大头针、铁钉以及较长导线为主要器材,进行如下图所示的简易实验。他将导线绕在铁钉上制成简易电磁铁,并巧妙地通过________来显示电磁铁磁性的强弱。下面的实验也用到了这种方法的是________。

A.认识电压时,我们可以用水压来类比
B用光线来描述光通过的路径
C.通过把敲响的音叉接触水面,看有没有溅起水花,来判断音叉有没有振动
D.用斜面小车研究阻力对物体运动的影响

解析:电磁铁吸引大头针的多少;C




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