干簧管在物理教學中的應用

摘要：本文主要介紹干簧管的結構、工作原理和在物理教學中的應用。

關鍵詞：干簧管；開關；物理教學

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

干簧管作為一種新型繼電器，具有結構簡單、體積小巧、靈敏度高、重量輕、功耗小、可靠性高等優點，目前已廣泛應用于自動控制系統的諸多領域，如機械、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中的應用作一簡單介紹。

1 干簧管的結構及工作原理

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

干簧管內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，但留有一條細間隙。磁簧端面觸點鍍有一層貴金屬銠或釕，使開關性能穩定并延長使用壽命。

在無磁場時，玻璃管中的兩個簧片是分開的。當有磁性物質靠近時，在磁場的作用下，管內兩個簧片被磁化而相互吸引接觸，使兩個引腳所接的電路連通。當外磁場消失后，兩簧片由于本身的彈性而分開，線路也就斷開了。在實際應用中，外磁場既可由永磁體提供，也可由通電線圈產生。這種看似簡單的結構卻具有很多令人矚目的優異性能，所以自其發明以來就在各種領域得到廣泛的應用。

2 干簧管在教學中的應用舉例

（1）力學實驗裝置計時開關

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線，并用烙鐵焊接到有分段計時功能電子秒表的對應端，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。

在該實驗裝置中，干簧管起著計時開關的作用。當小車經過A時，磁力使干簧管A吸合，相當于按秒表的啟動按鈕，秒表開始計時；小車經過E時，干簧管E吸合，秒表停止計時。小車由A運動到E的過程中，觸發相應干簧管吸合，秒表將分別計下各段位移的時間。

該實驗裝置可代替打點計時器用于研究勻變速直線運動和牛頓第二定律，其優點是能克服打點計時器的系統誤差，同時簡化測量位移和時間的過程，提高實驗精度。加速度的計算式如下：

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

(2)自行車里程累加開關

購一只價格幾元的計算器，打開外殼，在“=”號鍵電路板處焊接兩根細導線。在外殼上打一小孔，將導線穿出后合上外殼。細導線的另一端與干簧管相連，就可作為自行車里程計使用，如圖3所示。

將計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，調節小磁鐵與干簧管的位置，使車輪每轉一周干簧管就吸合一次。

使用時，先打開計算器，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。預置完畢即可騎行。由于干簧管與“=”號鍵電路并聯，每吸合一次就相當于按一次“=”號鍵，計算器就進行一次加法運算。因此，計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

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（圖4）。



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

以上三個例子，取材容易，制作簡單，對學生理解自動控制和提高學習物理的興趣均有較好的作用。它既可應用于教學之中，也可作為學生課外科技活動的內容。

參考文獻：

［1］李麗云.干簧管繼電器研究現狀與進展［J］，中國水運，2007（3）

［2］李宗彭.用干簧管控制計時的力學實驗裝置的制作及應用［J］，物理實驗，2003（6）

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

(欄目編輯王柏廬)