生活中的電磁鐵

韓思聰

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，電與磁幾乎遍布于我們生活中的每一個(gè)角落。其中，電磁鐵的應(yīng)用扮演著重要的角色，成為我們生活中不可或缺的一部分。電磁鐵，顧名思義，就是利用電流的磁效應(yīng)制造的鐵制磁體，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在我們的日常生活中，電磁鐵也充分發(fā)揮了其優(yōu)勢。下面介紹以電磁鐵為核心的控制系統(tǒng)在交通、醫(yī)療、生產(chǎn)生活等領(lǐng)域的應(yīng)用。

例1 各城市在路口處安裝了交通電子警察自動(dòng)抓拍系統(tǒng)，行人違規(guī)闖紅燈時(shí)，“電子警察”就會(huì)自動(dòng)抓拍人臉，同時(shí)將該人信息顯示在路旁電子屏幕上。該系統(tǒng)的電路圖如圖1所示。下列有關(guān)說法正確的是（）。

A. 只要光控開關(guān)接收到紅光，攝像系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)拍攝

B. 只要行人經(jīng)過埋有壓力開關(guān)的路口，攝像系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)拍攝

C. 只有光控開關(guān)和壓力開關(guān)都閉合時(shí)，攝像系統(tǒng)才會(huì)自動(dòng)拍攝

D. 若光控開關(guān)和聲控開關(guān)并聯(lián)也可起到同樣的作用

解析：由題圖可知，交通電子警察自動(dòng)抓拍系統(tǒng)中光控開關(guān)和壓力開關(guān)是串聯(lián)在控制電路中的。分析題意可知，在紅燈亮起期間，光控開關(guān)閉合，在行人違規(guī)闖紅燈時(shí)，壓力開關(guān)受到行人的壓力閉合。根據(jù)題意可知，需光控開關(guān)和壓力開關(guān)同時(shí)閉合，控制電路中才會(huì)有電流通過，電磁鐵通電后獲得磁性吸引銜鐵，將攝像系統(tǒng)所在電路接通，攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓拍，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤。要使攝像系統(tǒng)工作，要同時(shí)具備兩個(gè)條件：紅燈亮起，光控開關(guān)感知紅光而閉合；行人違規(guī)闖紅燈，壓上壓力開關(guān)使其閉合。兩個(gè)條件須同時(shí)滿足，缺一不可，故光控開關(guān)和壓力開關(guān)必須串聯(lián)，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

答案：C

點(diǎn)評：本題考查電磁繼電器的應(yīng)用，解這類問題的關(guān)鍵在于認(rèn)清電路的構(gòu)造，根據(jù)題圖分析出電磁繼電器中的控制電路和工作電路，進(jìn)而結(jié)合題意分析其工作原理。本題中需要注意的是光控開關(guān)和壓力開關(guān)須同時(shí)閉合，工作電路才會(huì)接通進(jìn)行抓拍，此類電路應(yīng)設(shè)計(jì)成串聯(lián)。

例2 人工心臟泵能短時(shí)間代替心臟工作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。線圈[AB]固定在活塞的柄上，泵室通過單向閥門與血管相通。閥門[S1]只能向泵室外側(cè)開啟；閥門[S2]只能向泵室內(nèi)側(cè)開啟。關(guān)于人工心臟泵，下列說法正確的是（）。

圖2

A. 電流從線圈[A]端流入時(shí)，血液流入泵室

B. 電流從線圈[A]端流入時(shí)，活塞向右移動(dòng)

C. 線圈[AB]中應(yīng)通入大小方向都不變的直流電

D. 人工心臟泵跳動(dòng)的頻率由線圈中電流的大小決定

解析：當(dāng)電流從線圈A端流入時(shí)，根據(jù)安培定則可知，電磁鐵右端為N極，左端為S極，與左側(cè)永磁體異名磁極相互吸引，帶動(dòng)活塞向左移動(dòng)，泵室內(nèi)壓強(qiáng)減小，而血管內(nèi)壓強(qiáng)較大，使得閥門[S1]閉合，閥門[S2]打開，血管②中血液經(jīng)閥門[S2]流入泵室，故A正確，B錯(cuò)誤。根據(jù)題圖結(jié)合題意可知，若線圈AB通入直流電，則線圈中電流方向不變，活塞只能向一個(gè)方向移動(dòng)，不能完成泵血任務(wù)，因此若使此裝置中血液既能從血管②中流入人工心臟又能從人工心臟輸出至血管①維持人體血液循環(huán)，活塞運(yùn)動(dòng)方向須改變，則需改變線圈AB中電流方向，線圈應(yīng)接入交流電，故C錯(cuò)誤。人工心臟跳動(dòng)頻率由活塞左右運(yùn)動(dòng)頻率決定，影響活塞運(yùn)動(dòng)頻率的是交流電電流方向改變的快慢，與電流大小無關(guān)，故D錯(cuò)誤。

答案：A

點(diǎn)評：本題主要考查了電磁鐵的優(yōu)點(diǎn)、安培定則的應(yīng)用及磁極間相互作用規(guī)律等，難點(diǎn)是分析兩個(gè)閥門的打開和閉合情況。解題時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)安培定則和磁極間相互作用規(guī)律綜合判斷活塞的運(yùn)動(dòng)情況，再結(jié)合題意“閥門[S1]只能向泵室外側(cè)開啟；閥門[S2]只能向泵室內(nèi)側(cè)開啟”利用壓強(qiáng)的知識判斷血液的流向。

例3 如圖3所示為一種利用電磁原理制作的充氣泵的結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)電流流入電磁鐵時(shí)將吸引或排斥小磁鐵，進(jìn)而帶動(dòng)彈性金屬片上下運(yùn)動(dòng)壓縮氣囊，小磁鐵下方為[N]極，氣室內(nèi)有兩個(gè)單向閥門可分別繞點(diǎn)[M]、[N]轉(zhuǎn)動(dòng)，以下選項(xiàng)中正確的是（）。

A. 當(dāng)電流從[A]端流入電磁鐵時(shí)，金屬片向下運(yùn)動(dòng)

B. 當(dāng)電流從[B]端流入電磁鐵時(shí)，氣體推開[M]閥門進(jìn)行充氣

C. 當(dāng)電流從[A]端流入電磁鐵時(shí)，[M]、[N]處閥門都被推開，氣體進(jìn)入氣室

D. 改用直流電流入電磁鐵時(shí)，氣泵仍正常工作

解析：當(dāng)電流從A端流入電磁鐵時(shí)，根據(jù)安培定則可知電磁鐵上方為N極，已知小磁鐵下方為N極，由于同名磁極相互排斥，因此小磁鐵和彈簧金屬片帶動(dòng)連桿向上運(yùn)動(dòng)，使得橡皮碗被拉長，碗內(nèi)氣壓減小，氣室內(nèi)氣壓小于外界氣壓，M處閥門關(guān)閉，N處閥門打開，氣流通過N處閥門進(jìn)入氣室，故A、C錯(cuò)誤。當(dāng)電流從B端流入電磁鐵時(shí)，電磁鐵上方為S極，與小磁鐵異名磁極相互吸引，帶動(dòng)彈簧金屬片和連桿向下運(yùn)動(dòng)，橡皮碗被壓縮，碗內(nèi)氣壓增大，氣室內(nèi)氣體將M處閥門推開進(jìn)行充氣，故B正確。若改用直流電，電磁鐵中線圈電流方向無法改變，彈簧金屬片無法上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行循環(huán)充氣，電動(dòng)充氣泵將無法正常工作，故D錯(cuò)誤。

答案：B

點(diǎn)評：本題對于能力的考查在于根據(jù)題干和題圖結(jié)合安培定則、磁極間相互作用關(guān)系及氣體體積與壓強(qiáng)的關(guān)系分析出電動(dòng)充氣泵的工作過程。對于此類問題，首先應(yīng)根據(jù)電流方向判斷電磁鐵極性，然后根據(jù)磁極間作用規(guī)律結(jié)合其他物理原理分析解決問題。

由以上實(shí)例我們不難發(fā)現(xiàn)，電磁鐵的廣泛應(yīng)用對人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步有著重要的影響。雖然電磁鐵的發(fā)明已經(jīng)有了很長的歷史，但是我們相信，在未來的發(fā)展中，電磁鐵還將繼續(xù)發(fā)揮著其重要的作用。希望同學(xué)們能夠?qū)W好物理，學(xué)以致用，將來為我國的科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化做出自己的貢獻(xiàn)，建設(shè)科技強(qiáng)國！

（作者單位：錦州市實(shí)驗(yàn)學(xué)校）