羊圈報(bào)警器

■湖北省襄陽(yáng)市第五中學(xué)

爺爺住在農(nóng)村，家里養(yǎng)了很多羊。一到傍晚，羊會(huì)自行返回羊圈。暑假，我在爺爺家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象：羊圈是用木頭柵欄圍成的，并不牢固，時(shí)不時(shí)地有羊沖出羊圈。

為了看護(hù)好羊，爺爺每天晚上都要起來(lái)好幾次去巡視羊圈，清點(diǎn)羊的數(shù)量，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否有羊丟失。如果有很多羊沖出羊圈而沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，找羊的過(guò)程便十分艱難。

我想設(shè)計(jì)一種裝置來(lái)減輕爺爺?shù)呢?fù)擔(dān)。當(dāng)羊沖出羊圈時(shí)能發(fā)出警示，這樣爺爺晚上就不用經(jīng)常起床巡視，還能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)有羊逃出羊圈。但報(bào)警裝置也不能一直響個(gè)不停，會(huì)影響他人休息，所以它在報(bào)警后必須能自動(dòng)停止。

如何實(shí)現(xiàn)這些功能呢？通過(guò)研究，我利用電磁感應(yīng)原理，制作了一個(gè)羊圈報(bào)警器。

圖1 基本電路原理

一、設(shè)計(jì)原理

閉合回路在磁場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的阻礙原磁場(chǎng)磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，繼而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電磁鐵在斷開(kāi)線路的情況下，磁場(chǎng)磁通量發(fā)生變化，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，將生成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為電源供給報(bào)警系統(tǒng)，觸發(fā)報(bào)警。電路如圖1所示。

圖1 中，左邊線路1 是一個(gè)基本的電磁鐵電路，繞在羊圈外圍。環(huán)繞羊圈的電路通過(guò)軟線連接，保證受到羊群沖擊時(shí)電路能斷開(kāi)。線路1 上除了開(kāi)關(guān)以外，還有一個(gè)電磁線圈1，其內(nèi)部有一個(gè)方形鐵塊，可增強(qiáng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度。

右側(cè)線路2 則是一條連接警鈴的電路，該電路上有一個(gè)線圈2，與線路1 的線圈環(huán)繞在方形鐵塊的兩側(cè)，當(dāng)線圈1 中的磁通量發(fā)生變化，線圈2 就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。該感應(yīng)電流作為線路2 的電源。

二、使用方法

當(dāng)線路1 開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，線圈產(chǎn)生磁性，線路2 的開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)雖然線圈1 中的磁通量發(fā)生變化，線圈2 會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，但不會(huì)觸發(fā)報(bào)警器。當(dāng)線路1接通后，線路2 的開(kāi)關(guān)關(guān)閉，線路2 的電路接通。但由于線路2 并沒(méi)有電源，此時(shí)不會(huì)觸發(fā)報(bào)警器。

線圈中的磁通量分布如圖2。羊沖出羊圈時(shí)，沖擊力導(dǎo)致環(huán)繞在羊圈外圍的導(dǎo)線受到拉扯而斷開(kāi)連接，線路1 斷開(kāi)，線圈1 中的磁通量發(fā)生變化，導(dǎo)致線圈2 中的磁通量也發(fā)生變化。此時(shí)，線圈2 產(chǎn)生的阻礙原磁場(chǎng)磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生感應(yīng)電流，繼而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，作為線路2 的電源。

由于右側(cè)電路開(kāi)關(guān)是閉合的，此時(shí)警鈴電路接通，自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。也就是說(shuō)，當(dāng)有羊逃出羊圈或羊圈外圍受外力作用時(shí)，該系統(tǒng)能起到警示作用。

圖2 線圈中的磁通量

三、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

我在爺爺?shù)难蛉χ車密浘€布置了一個(gè)環(huán)形電磁鐵電路，每當(dāng)羊進(jìn)入羊圈后，該電路開(kāi)關(guān)關(guān)閉。當(dāng)羊沖出羊圈時(shí)，由于對(duì)軟線電路有沖擊力，導(dǎo)致線路斷開(kāi)，使線圈中磁通量發(fā)生變化，安裝有警鈴的線路產(chǎn)生電流，引發(fā)短時(shí)報(bào)警。

實(shí)驗(yàn)表明，該電路布置方便，準(zhǔn)確率高，減輕了爺爺夜晚照看羊群的負(fù)擔(dān)。這也是我在“學(xué)以致用”上的一次有意義的探索。