Эксперименты с электромагнитным реле

В этой статье ставим опыты с обычной релюшкой. Они очень просты, но позволяют познакомиться с некоторыми интересными физическими явлениями из школьного курса физики.

Само по себе электромагнитное реле устроено весьма незатейливо. Оно представляет собой катушку с металлическим сердечником.  Рядом с ней расположены контакты: один или два неподвижных, жестко фиксированных, и один подвижный, на тонкой гибкой пластинке. Может быть и сразу несколько групп контактов, которые переключаются одновременно.

Когда по обмотке реле протекает электрический ток, сердечник намагничивается и притягивает подвижный контакт. Он изгибается вниз (см. рисунок в начале статьи), размыкая соединение с верхним неподвижным контактом, и замыкая с нижним. Когда ток по обмотке прекращается, контакты возвращаются в исходное положение.

Ради экспериментов я расковырял корпус реле HJR-21FF-S-Z.

Это реле включается постоянным напряжением 12 вольт, а коммутировать оно вполне способно и 220 вольт, при токах до 10А. Имеет одну переключающую группу контактов.

Давайте соединим его по такой вот схеме.

Что тут произойдёт? В первый момент включении питания обмотка реле окажется подключена через левый по схеме контакт — тот самый, который замкнут при выключенном реле (такая пара контактов называется нормально замкнутые контакты). Реле сработает, переключит контакты и тем самым само обесточит свою обмотку. Но при этом контакты вернутся в исходное положение и снова включат реле. Далее цикл повторится.

Таким образом, контакты будут переключаться несколько сот раз в секунду, издавая комариный писк (см. видео в конце статьи). У нас получился этакий генератор колебаний.

Собственно, на подобном принципе были устроены старые школьные звонки. Только там для усиления звука к подвижному контакту был приделан специальный молоточек, который бил по металлической полусфере. И механика была подобрана так, чтобы частота была пониже.

Но вернёмся к нашему реле. Всё гораздо интереснее, если посмотреть, как меняется напряжение на обмотке с помощью осциллографа.

Этап 1 — контакты замкнулись, ток пошёл по обмотке. Но нужно некоторое время, чтобы создалось магнитное поле достаточной силы для переключения контактов.

Этап 2 — соединение разорвано. В этот момент за счёт явления самоиндукции происходит скачок напряжения с обратным знаком. Причём, в данном случае по величине он превышает напряжение питания почти в 4 раза! Так что будьте аккуратны, подключая осциллограф к реле (в любой схеме), убедитесь, что у Вас есть запас по допустимому напряжению.

Магнитное поле исчезает не мгновенно, и поэтому есть небольшая задержка в переключении контактов. И далее мы видим некоторый дребезг (этап 3) - вероятно, это связано с моментом касания контактов. Затем цикл повторяется.

Частоту колебаний можно уменьшать, подключив параллельно катушке конденсатор.

Конденсатор будет сглаживать скачки напряжения, а также потребует дополнительное время на процессы зарядки — разрядки: в момент включения напряжения он будет некоторое время заряжаться, а в момент отключения, наоборот, отдавая накопленный заряд, поможет магнитному полю продержаться какое-то дополнительное время. Форма сигнала станет пилообразной, без резких скачков.

И в завершение статьи, как обычно, видео с демонстрацией эксперимента.