电磁铁的应用 · 知了学堂

知识背景

💡知识背景 · 从一个真实的问题说起

1837 年，美国人莫尔斯为了让电信号跑得更远，遇到了一个麻烦：导线太长，信号衰减到推不动接收端的笔。他的解决办法很聪明——在中途放一个装置：微弱的电流先让一小块电磁铁产生磁性，磁性吸动一片铁，铁片闭合另一个由本地电池供电的新电路，于是信号在新电路里以满强度继续前进。这个装置叫继电器（relay，本意就是接力）。

莫尔斯电报由此走通了洲际线路。而继电器背后的思想，一百八十多年来没变过：用一个小电流控制的电路，去控制另一个大电流的电路。今天地铁的接触器、空调的启动器、汽车的启动继电器、消防联动系统，用的都是同一招。

电磁铁之所以能担此重任，靠的是它相对永磁体的三大优势：通断电可控制磁性有无、电流与匝数可控制磁性强弱、电流方向可改变磁极。本节就来看它在生活中的两个经典应用——电磁继电器和电铃。

知识讲解

电磁铁的复习与拓展

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电磁铁是插入软铁芯的通电螺线管。它的磁性强弱由电流大小和线圈匝数决定，有铁芯时磁性显著增强；断电后软铁芯磁性几乎立即消失。

⚖️电磁铁与永磁体的三点差别

磁性有无：电磁铁通电才有磁性，可随时开关；永磁体的磁性一直存在，无法关闭。
磁性强弱：电磁铁可用滑动变阻器连续调节；永磁体强弱固定。
磁极方向：电磁铁改变电流方向即可对调 N、S 极；永磁体的磁极不可改变。

电磁继电器

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电磁继电器实质上是一个由电磁铁控制的开关。它把电路分成两部分：

控制电路（低压、小电流）：电源、开关或各类传感器、电磁铁线圈。
工作电路（高压、大电流）：电源、被控制的用电器（电动机、灯、水泵等）、由衔铁带动的触点。

作用：用低压弱电流控制高压强电流，实现远距离操纵和自动控制，同时保障操作者安全。

工作过程：控制电路闭合 → 电磁铁通电产生磁性 → 吸下衔铁 → 衔铁另一端翘起（或压下）使工作电路的触点接通；控制电路断开 → 电磁铁失去磁性 → 弹簧把衔铁拉回原位 → 工作电路断开。

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继电器有常开触点和常闭触点两组。接在常开触点上的用电器：电磁铁通电时工作；接在常闭触点上的用电器：电磁铁通电时停止。看清题目要求接哪一组，是解题的关键。

配上不同的传感器（可变电阻），继电器就能做各种自动装置：

传感器	阻值随什么变化	典型装置
热敏电阻	温度升高，阻值变小	温控报警器、电饭锅保温
光敏电阻	光照变强，阻值变小	路灯天黑自动亮
湿敏电阻	湿度增大，阻值变小	大棚自动喷灌、土壤缺水报警

电铃

电铃的核心也是电磁铁，但多了一个自动断续的巧妙结构。

工作过程：按下按钮 → 电磁铁通电、吸引弹性片上的衔铁 → 小锤打击铃碗发声，同时弹性片离开触点使电路断开 → 电磁铁失去磁性、弹性片弹回、触点重新接通 → 电磁铁又通电吸下衔铁……于是小锤不停地敲击，铃声连续响起。

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电铃能连续响的原因：衔铁的运动本身会切断自己的电路，形成「通电—断电—通电」的自动循环。这种结构叫自动断续器。

实验与探究

例用继电器和热敏电阻做一个温度报警器

给你电磁继电器、热敏电阻（温度越高阻值越小）、低压电源、报警灯、220 伏市电插座，要求温度过高时报警灯亮。请设计电路并说明工作原理。

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设计：把热敏电阻与继电器线圈、低压电源、开关串联组成控制电路；把报警灯与 220 伏电源、继电器的常开触点串联组成工作电路。

原理分步说明：

温度升高时，热敏电阻阻值变小，依据欧姆定律 $I = \dfrac{U}{R}$ ，控制电路总电阻减小，电流增大。
电流增大使电磁铁磁性增强，当磁力大于弹簧拉力时，衔铁被吸下。
衔铁动作使工作电路的常开触点闭合，报警灯接入 220 伏电路而发光。
温度降低后，热敏电阻阻值变大、电流减小、磁力不足，弹簧把衔铁拉回，触点断开，报警灯熄灭。

报警温度如何调节：在控制电路中串联一个滑动变阻器。增大它的阻值，需要更高的温度（更小的热敏电阻阻值）才能达到吸合所需的电流，报警温度随之升高；反之报警温度降低。

为什么必须用继电器而不直接把热敏电阻接到 220 伏上：热敏电阻等元件只能承受低电压，且人若接触到就有触电危险。继电器让人手只碰低压控制电路，高压部分完全隔离，这正是它的安全价值。

经典例题

例继电器电路的定量计算

某继电器线圈电阻 $R_0 = 20\ \Omega$ ，当线圈中电流达到 $30\ \text{mA}$ 时衔铁被吸合。控制电路电源电压为 $6\ \text{V}$ ，与线圈串联一个热敏电阻 $R$ 。求恰好吸合时热敏电阻的阻值。

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第一步：判断电路连接方式，依据是题中说明线圈与热敏电阻串联，故通过两者的电流相等，总电压等于各部分电压之和。第二步：统一单位，依据 $1\ \text{A} = 1000\ \text{mA}$ ： $I = 30\ \text{mA} = 0.03\ \text{A}$ 。第三步：求串联总电阻，依据欧姆定律 $R_{\text{总}} = \dfrac{U}{I}$ ：

$R_{\text{总}} = \frac{6}{0.03} = 200\ \Omega$

第四步：求热敏电阻，依据串联电阻规律 $R_{\text{总}} = R + R_0$ ： $R = 200 - 20 = 180\ \Omega$ 。第五步：答：热敏电阻阻值为 $180\ \Omega$ 时衔铁恰好吸合。延伸：由于温度越高阻值越小，当温度继续升高使 $R$ 小于 $180\ \Omega$ 时，电流大于 $30\ \text{mA}$ ，衔铁保持吸合；温度下降使 $R$ 大于 $180\ \Omega$ 时衔铁释放。

难点与易错点

⚠️难点 · 易错点

把控制电路和工作电路接反：线圈永远在控制电路（低压），用电器永远在工作电路（高压），两者电源不同、互不连通。
分不清常开与常闭触点：要求「条件满足时用电器工作」接常开，要求「条件满足时用电器停止」接常闭。
忘记传感器的阻值变化方向：热敏、光敏、湿敏电阻通常都是「量越大、阻值越小」，先写清这一步再谈电流。
认为调报警温度要换热敏电阻：只需调节串联的滑动变阻器。阻值调大则报警温度升高。
说电铃靠人手快速按放才响：电铃的断续是衔铁自己切断电路造成的，按住不放也会连续响。
认为继电器能把小电流「放大」成大电流：它只是开关，工作电路的大电流来自工作电路自己的电源，不是被放大出来的。

生活中的应用

🌏生活中的应用

杭州地铁列车的接触器：司机台上的按钮只走几安培的控制电流，真正接通上千安培牵引电流的是车下的大型电磁接触器。
家用空调与冰箱的启动继电器：温控器感知室温后，通过继电器接通或切断压缩机这个大功率电路。
路灯天黑自动亮：光敏电阻串在继电器控制电路里，天黑阻值变小、电流增大、触点闭合，整条街的灯同时亮起。
电动车充电桩的保护继电器：检测到电流异常或温度过高时立刻切断供电回路。

生活应用题 1 · 西溪湿地大棚的自动喷灌

西溪湿地一处种植大棚里埋着湿敏电阻（土壤越干，阻值越大），它与继电器线圈串联。要求土壤过干时水泵自动喷水。已知线圈电阻 $R_0 = 10\ \Omega$ 、衔铁释放电流 $40\ \text{mA}$ 、控制电源 $6\ \text{V}$ 。问：①水泵应接常开还是常闭触点？②土壤干到湿敏电阻多大阻值时开始喷水？

分步解：

分析干潮对电流的影响：土壤越干，湿敏电阻阻值越大；由 $I = \dfrac{U}{R}$ 可知控制电路电流越小，电磁铁磁性越弱。
判断触点类型：土壤变干时磁力不足，弹簧把衔铁拉回；而衔铁释放时闭合的正是常闭触点，所以水泵应接常闭触点。
求衔铁恰好释放时的总电阻，依据 $R_{\text{总}} = \dfrac{U}{I}$ ，先换算 $I = 40\ \text{mA} = 0.04\ \text{A}$ ： $R_{\text{总}} = \dfrac{6}{0.04} = 150\ \Omega$ 。
求湿敏电阻阻值，依据串联电阻规律 $R_{\text{总}} = R + R_0$ ： $R = 150 - 10 = 140\ \Omega$ 。
答：水泵接常闭触点；土壤干到湿敏电阻阻值升至 $140\ \Omega$ 时衔铁释放，水泵开始喷水。若想让土壤更干才喷水，只需把控制电路中串联的滑动变阻器阻值调小，这样需要湿敏电阻阻值更大（土壤更干）才会释放。

生活应用题 2 · 电铃为什么按住不放也一直响

小杭按住家门口的电铃按钮不松手，铃声连续不断。他猜是「电流一直通着，小锤一直压在铃上才响」。请指出错误并说明真正原因。

分步解：

指出矛盾：若小锤一直压住铃碗，它只会闷住铃碗，不可能持续发声——发声需要反复撞击。
找出关键结构：电铃中弹性片上有一个触点，衔铁被吸下的同时，弹性片离开触点，电路自动断开。
说明循环：断电后电磁铁失去磁性，弹性片靠弹力弹回，触点重新接通，电磁铁又通电吸下衔铁——如此「通—断—通」高速循环，小锤便不停敲击。
答：连续响声来自衔铁自身切断电路造成的自动断续，与手是否松开按钮无关。这个结构叫自动断续器，也是早期蜂鸣器的原理。

考点

🎯考点提示

实验与设计题·高频：结合热敏、光敏、湿敏电阻设计自动控制电路并说明原理
电路分析题·高频：判断用电器接常开还是常闭触点
计算题·高频：控制电路的串联欧姆定律计算（求吸合时传感器阻值或电源电压）
简答题：如何调节报警（动作）的温度或光照阈限——调滑动变阻器
选择题：电磁铁与永磁体的比较；继电器的作用（低压控高压、远距离、自动控制）
简答题：电铃能连续发声的原因（自动断续）
概念辨析：继电器不放大电流，只起开关作用

中考真题

真题2022 · 浙江杭州中考（改编）

如图是一种自动测控装置的原理图， $R$ 为热敏电阻（温度升高阻值减小）。关于该装置，下列说法正确的是（　）A. 电磁铁上端为 N 极还是 S 极与电流方向无关　B. 温度升高时电磁铁磁性减弱　C. 温度升高到一定值时，衔铁被吸下，工作电路接通　D. 增大控制电路中滑动变阻器的阻值可使动作温度降低

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逐项分析：

A 错：电磁铁的磁极由电流方向和绕线方向共同决定，改变电流方向磁极对调。
B 错：温度升高使 $R$ 减小，由 $I = \dfrac{U}{R}$ 得电流增大，磁性增强。
C 对：磁性增强到磁力超过弹簧拉力时衔铁被吸下，与常开触点相连的工作电路接通。
D 错：滑动变阻器阻值增大，需要更小的 $R$ （即更高的温度）才能达到吸合电流，动作温度升高。

答案：C。

真题2021 · 浙江中考（改编）

某电磁继电器线圈电阻为 $25\ \Omega$ ，衔铁吸合所需最小电流为 $50\ \text{mA}$ ，释放电流为 $20\ \text{mA}$ 。控制电路电源电压 $9\ \text{V}$ ，串联一只光敏电阻。求：①衔铁恰好吸合时光敏电阻的阻值；②衔铁恰好释放时光敏电阻的阻值。

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第一步：确认电路结构，依据题意光敏电阻与线圈串联，电流处处相等， $R_{\text{总}} = R_{\text{光}} + R_{\text{线圈}}$ 。第二步：求吸合时的总电阻，依据 $R_{\text{总}} = \dfrac{U}{I}$ ，先换算 $I_1 = 50\ \text{mA} = 0.05\ \text{A}$ ： $R_{\text{总1}} = \dfrac{9}{0.05} = 180\ \Omega$ 。第三步：求吸合时光敏电阻： $R_{\text{光1}} = 180 - 25 = 155\ \Omega$ 。第四步：求释放时的总电阻， $I_2 = 20\ \text{mA} = 0.02\ \text{A}$ ： $R_{\text{总2}} = \dfrac{9}{0.02} = 450\ \Omega$ ，故 $R_{\text{光2}} = 450 - 25 = 425\ \Omega$ 。第五步：答：吸合时 $155\ \Omega$ ，释放时 $425\ \Omega$ 。理解要点：吸合电流大于释放电流，说明继电器动作有一段「回差」，可以避免在临界点附近反复抖动——这是工程上的实用设计。

视频讲解

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