干簧管在物理教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：本文主要介紹干簧管的結(jié)構(gòu)、工作原理和在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：干簧管；開關(guān)；物理教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2008)6(S)-0055-2

干簧管作為一種新型繼電器，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、靈敏度高、重量輕、功耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)的諸多領(lǐng)域，如機(jī)械、汽車、電子、電力、石油、化工、辦公自動化、通訊等工程中。本文將對這種繼電器在物理教學(xué)中的應(yīng)用作一簡單介紹。

1 干簧管的結(jié)構(gòu)及工作原理

干簧管又稱為磁簧開關(guān)，它是由Western Electric公司在1940年發(fā)明的一種氣密式磁控機(jī)械開關(guān)，可以作為磁接近開關(guān)或繼電器使用。干簧管一般有中心型和偏置型兩種，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

干簧管內(nèi)部由一對磁性材料制成的彈性磁簧組成，磁簧密閉于充有惰性氣體的玻璃管中，磁簧端面互迭，但留有一條細(xì)間隙。磁簧端面觸點(diǎn)鍍有一層貴金屬銠或釕，使開關(guān)性能穩(wěn)定并延長使用壽命。

在無磁場時(shí)，玻璃管中的兩個(gè)簧片是分開的。當(dāng)有磁性物質(zhì)靠近時(shí)，在磁場的作用下，管內(nèi)兩個(gè)簧片被磁化而相互吸引接觸，使兩個(gè)引腳所接的電路連通。當(dāng)外磁場消失后，兩簧片由于本身的彈性而分開，線路也就斷開了。在實(shí)際應(yīng)用中，外磁場既可由永磁體提供，也可由通電線圈產(chǎn)生。這種看似簡單的結(jié)構(gòu)卻具有很多令人矚目的優(yōu)異性能，所以自其發(fā)明以來就在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2 干簧管在教學(xué)中的應(yīng)用舉例

（1）力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)時(shí)開關(guān)

如圖2所示，在平直的木板上相距10cm處用木鋸鋸成寬0.2cm、深0.2cm的溝，在溝的正中埋入A、B、C、D、E五只干簧管和相連的導(dǎo)線，并用烙鐵焊接到有分段計(jì)時(shí)功能電子秒表的對應(yīng)端，然后用白水泥抹平溝隙。在小車底部前端橫膠上磁條，使磁條與木板相距約為0.15cm。

在該實(shí)驗(yàn)裝置中，干簧管起著計(jì)時(shí)開關(guān)的作用。當(dāng)小車經(jīng)過A時(shí)，磁力使干簧管A吸合，相當(dāng)于按秒表的啟動按鈕，秒表開始計(jì)時(shí)；小車經(jīng)過E時(shí)，干簧管E吸合，秒表停止計(jì)時(shí)。小車由A運(yùn)動到E的過程中，觸發(fā)相應(yīng)干簧管吸合，秒表將分別計(jì)下各段位移的時(shí)間。

該實(shí)驗(yàn)裝置可代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用于研究勻變速直線運(yùn)動和牛頓第二定律，其優(yōu)點(diǎn)是能克服打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的系統(tǒng)誤差，同時(shí)簡化測量位移和時(shí)間的過程，提高實(shí)驗(yàn)精度。加速度的計(jì)算式如下：

a=2tAC-tAB(sACtAC-sABtAB)=2tBC(0.2tAC-0.1tAB)。

(2)自行車?yán)锍汤奂娱_關(guān)

購一只價(jià)格幾元的計(jì)算器，打開外殼，在“=”號鍵電路板處焊接兩根細(xì)導(dǎo)線。在外殼上打一小孔，將導(dǎo)線穿出后合上外殼。細(xì)導(dǎo)線的另一端與干簧管相連，就可作為自行車?yán)锍逃?jì)使用，如圖3所示。

將計(jì)算器用膠帶固定在自行車的車把上，使騎行者對里程顯示一目了然；用膠帶將一塊小磁鐵固定在前輪輻條上，再將干簧管用膠帶固定在前輪叉上。然后，調(diào)節(jié)小磁鐵與干簧管的位置，使車輪每轉(zhuǎn)一周干簧管就吸合一次。

使用時(shí)，先打開計(jì)算器，按“+”號鍵后，再輸入車輪周長。例如，直徑為“26”的自行車，其周長為2.07m，就輸入2.07。預(yù)置完畢即可騎行。由于干簧管與“=”號鍵電路并聯(lián)，每吸合一次就相當(dāng)于按一次“=”號鍵，計(jì)算器就進(jìn)行一次加法運(yùn)算。因此，計(jì)算器屏幕所顯示的就是自行車的里程。

（3）電磁振蕩充放電開關(guān)

將一只偏置型干簧管固定于直徑約1cm的圓柱體木塊中，再用1mm漆包線燒200匝，導(dǎo)線一端接一只整流二極管，然后接入3V交流電源，就可用作電磁振蕩的充放電開關(guān)（圖4）。



在交流電的負(fù)半周，二極管截止，線圈不產(chǎn)生磁場，干簧管動觸點(diǎn)與常閉簧片連通，電容器充電。在交流電的正半周，二極管導(dǎo)通，線圈產(chǎn)生的磁場使干簧管動觸點(diǎn)與常開簧片連通，電容器與振蕩線圈構(gòu)成回路，產(chǎn)生電磁振蕩，示波器中顯示的就是阻尼振蕩的圖形。

以上三個(gè)例子，取材容易，制作簡單，對學(xué)生理解自動控制和提高學(xué)習(xí)物理的興趣均有較好的作用。它既可應(yīng)用于教學(xué)之中，也可作為學(xué)生課外科技活動的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

［1］李麗云.干簧管繼電器研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］，中國水運(yùn)，2007（3）

［2］李宗彭.用干簧管控制計(jì)時(shí)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的制作及應(yīng)用［J］，物理實(shí)驗(yàn)，2003（6）

［3］譚國強(qiáng).用示波器顯示的電磁振蕩演示儀［J］，中國教育技術(shù)裝備，2004（9）

(欄目編輯王柏廬)