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PHYSICS·GRADE9电磁铁与电磁继电器九年级物理·电与磁单元核心知识精讲Contents课程目录电磁铁与电磁继电器——从基础构造到实际应用的完整学习路径01电磁铁基础:构造、原理与特点02电磁铁磁性探究:影响因素实验03电磁继电器原理:结构与工作过程04实际应用与拓展:自动控制案例CHAPTER01电磁铁基础构造、原理与特点的系统认知CONSTRUCTION电磁铁的构造电磁铁由通电螺线管和铁芯两部分组成,铁芯被磁化后与螺线管磁场叠加,使磁性显著增强。铁芯材料的选择至关重要——必须使用软铁而非钢或铜,这是保证电磁铁可控性的关键。电磁铁基本构造·螺线管线圈与铁芯01基本构造将导线绕成螺线管,管内插入铁芯,通电后螺线管产生磁场,铁芯被磁化产生附加磁场,二者叠加使磁性明显增强02铁芯材料必须使用软铁作为铁芯,软铁磁化后断电即失去磁性,保证电磁铁的可控性;严禁使用钢芯或铜芯替代03禁用钢芯钢被磁化后磁性不消失,断电后仍保持磁性,无法实现"通电有磁、断电无磁"的控制特性04禁用铜芯铜属于非磁性材料,无法被磁化,不能产生附加磁场,因此无法增强电磁铁的磁性WorkingPrinciple电磁铁的工作原理电磁铁利用电流的磁效应工作,通电螺线管产生磁场使铁芯磁化,铁芯磁场与螺线管磁场叠加,实现磁性的大幅增强。这一过程将电能转化为磁能。原理基础利用电流的磁效应工作——通电导体周围存在磁场,这是奥斯特实验揭示的基本物理规律。电流方向决定磁场方向,遵循右手螺旋定则。奥斯特实验磁化过程铁芯被通电螺线管的磁场磁化,由普通铁块变为磁体,产生与螺线管磁场方向一致的附加磁场。软铁材料磁化效率高,易于磁化和退磁。附加磁场磁场叠加铁芯产生的附加磁场与通电螺线管的原有磁场共同作用,使整体磁性显著增强,远超单独螺线管。磁场强度可提升数百至数千倍,形成强电磁铁。显著增强能量转换电磁铁工作时将电能转化为磁能,通过控制电流的通断和大小,实现对磁性的精确控制。断电后磁性消失,这一特性使其在自动化控制中广泛应用。精确控制CORECHARACTERISTICS电磁铁的核心特点电磁铁相比永磁体具有三大可控优势:磁性有无由电流通断控制,磁性强弱由电流大小和线圈匝数调节,磁极方向由电流方向决定。这些特点使其在工业控制中不可替代。ON/OFF磁性有无可控通电时产生磁性,断电时磁性消失,通过简单的开关即可实现磁性的快速切换,响应速度极快,便于实现自动化控制。ADJUSTABLE磁性强弱可调通过改变电流大小或线圈匝数,可精确调节电磁铁的磁性强弱,满足不同应用场景的需求,实现精细化控制。REVERSIBLE磁极方向可变通过改变电流方向,可以改变电磁铁的南北极,这一特性在电动机、发电机等设备中至关重要,支持双向运转。VSPERMANENT相比永磁体的优势永磁体磁性固定、无法控制,而电磁铁的三个"可控"特性使其在自动化控制领域具有不可替代的地位,应用广泛。Applications电磁铁的典型应用电磁铁凭借磁性可控的特点,广泛应用于工业起重、交通运输和日常电器中。从电磁起重机到磁悬浮列车,从电铃到磁选设备,电磁铁的应用渗透到现代生活的方方面面。电磁起重机工作场景磁悬浮列车运行场景电铃实物INDUSTRY工业领域电磁起重机:利用电磁铁吸放钢铁材料,通电吸起、断电放下,广泛用于废铁回收和钢材搬运磁选设备:利用电磁铁分离磁性矿物与非磁性杂质,是矿业和食品加工中的重要设备起重·分选TRANSPORT交通运输磁悬浮列车:利用电磁铁产生的强大斥力或吸力使列车悬浮,减少摩擦阻力,时速可达400公里以上电磁制动系统:高速列车和地铁采用电磁制动,响应快、磨损小,是传统机械制动的有效补充400km/h+DAILYUSE日常电器电铃:电磁铁反复吸引衔铁敲击铃铛,按下按钮即发出连续铃声,常见于学校和办公楼扬声器:电磁铁与永磁体相互作用,驱动振膜振动发声,是音响设备的核心组件发声·振动CHAPTER02电磁铁磁性探究控制变量法下的影响因素实验分析EXPERIMENTDESIGN实验设计与方法探究电磁铁磁性强弱的影响因素,需运用控制变量法逐一验证猜想,并用转换法将磁性强弱转化为可观察的铁钉吸引数量。猜想与假设基于电磁铁的工作原理,合理猜想磁性强弱可能与电流大小、线圈匝数两个因素有关电流大小·线圈匝数控制变量法每次实验只改变一个变量,保持其他变量不变,以准确判断该变量对磁性的影响单一变量原则转换法应用磁性强弱难以直接测量,通过观察电磁铁吸引小铁钉的数量来间接反映磁性强弱吸引铁钉数→磁性强弱实验装置组成将自制电磁铁、滑动变阻器、开关、电源串联成电路,滑动变阻器用于调节电流大小电磁铁·变阻器·开关·电源电磁铁实验实验一:电流对磁性的影响控制线圈匝数不变,改变电流大小进行实验。数据表明:线圈匝数一定时,通过电磁铁的电流越大,吸引的铁钉越多,说明电磁铁的磁性越强。实验条件控制:保持线圈匝数相同(50匝),通过调节滑动变阻器改变电路中的电流大小实验现象观察:电流为0.8A时吸引铁钉5枚,增大到1.5A时增加到8枚,吸引数量明显增多实验结论归纳:在线圈匝数一定的条件下,通过电磁铁线圈的电流越大,电磁铁的磁性越强原理解释:电流增大导致螺线管磁场增强,铁芯被磁化程度更深,因此整体磁性更强线圈匝数50匝时的实验数据实验次数电流(A)吸引铁钉数(枚)磁性强弱10.85较弱21.27中等31.58较强线圈匝数固定时,电流越大,吸引铁钉越多,磁性越强实验探究实验二:线圈匝数对磁性的影响控制电流大小不变,改变线圈匝数进行实验。数据表明:电流一定时,线圈匝数越多,吸引的铁钉越多,说明电磁铁的磁性越强。01实验条件控制:保持电流大小相同(0.8A),使用匝数不同的线圈(50匝和150匝)进行对比实验02实验现象观察:50匝线圈吸引铁钉5枚,150匝线圈在相同电流下吸引铁钉10枚,数量翻倍03实验结论归纳:在电流一定的条件下,电磁铁线圈的匝数越多,电磁铁的磁性越强04原理解释:每匝线圈都产生磁场,匝数越多则各匝磁场叠加效应越显著,整体磁场强度越大电流0.8A时的对比实验数据线圈匝数电流(A)吸引铁钉数(枚)磁性强弱50匝0.85较弱150匝0.810较强电流固定时,线圈匝数越多,吸引铁钉越多,磁性越强EXPERIMENTCONCLUSION实验结论总结电磁铁磁性强弱受三个因素影响:电流大小、线圈匝数和铁芯大小。电流越大、匝数越多、铁芯越大,磁性越强。控制变量法是探究此类多因素问题的核心方法。电流大小与磁性强弱关系(50匝线圈)电流增大时吸引铁钉数量线性增加电流大小:线圈匝数一定时,通入电磁铁的电流越大,电磁铁的磁性越强,二者呈正相关关系线圈匝数:电流一定时,电磁铁线圈的匝数越多,磁性越强,匝数增加直接增强磁场叠加效应铁芯大小:在电流和匝数都不变时,使用较大的铁芯可增强磁性,更大的铁芯能产生更强的附加磁场实验方法:控制变量法是研究多因素问题的基本方法,每次只改变一个变量,保持其他变量不变EXPERIMENTANALYSIS典型例题:实验数据分析通过典型实验题训练学生运用控制变量法分析数据、归纳结论的能力。重点掌握安培定则判断磁极、滑动变阻器调节电流、以及如何从对比实验中提取规律。01磁极判断方法运用安培定则(右手螺旋定则),右手握住螺线管,四指指向电流方向,大拇指所指即为N极02电流调节手段通过移动滑动变阻器的滑片来改变电路中的电流大小,从而研究电流对磁性的影响03磁性强弱判断观察电磁铁吸引小铁钉的数量,这是转换法的应用——将磁性强弱转化为可计数的物理量04结论表述规范必须明确前提条件,如"线圈匝数一定时"或"电流一定时",不能省略控制变量的条件直接下结论CHAPTER03电磁继电器原理结构解析与工作过程详解ELECTROMAGNETICRELAY电磁继电器的定义与本质电磁继电器是利用电磁铁来控制工作电路通断的一种自动开关。其核心功能是用低电压、弱电流的控制电路,间接控制高电压、强电流的工作电路,实现安全操作和自动控制。定义解析电磁继电器是利用电磁铁控制工作电路的一种开关,通电时触点闭合,断电时触点断开,实现电路的自动控制。自动控制本质特征实质是一种"自动开关",通过电磁铁的吸合与释放动作,代替人工手动操作开关,实现电路的远程或自动控制。自动开关核心功能利用低电压、弱电流电路的通断,间接控制高电压、强电流电路的通断,操作人员无需接触高压电路,确保安全。安全隔离应用意义在高压、高温、有毒等危险环境中,电磁继电器使操作人员能够远离危险,实现安全可靠的远距离控制。远距离控制STRUCTURE电磁继电器的结构组成电磁继电器由电磁铁、衔铁、复位弹簧和触点四大核心部件组成。电磁铁提供磁力,衔铁传递动作,弹簧负责复位,触点实现电路通断,四者协同完成自动控制功能。核心驱动部件电磁铁:通电时产生磁性,吸引衔铁向下运动,是整个继电器的动力来源线圈:缠绕在铁芯上的导线,通入控制电流后产生磁场,磁场强弱决定吸力大小电磁铁运动传递部件衔铁:可移动的铁片,被电磁铁吸引时带动动触点移动,是力传递的桥梁复位弹簧:断电后弹力将衔铁拉回原位,使动触点恢复初始状态衔铁电路控制部件动触点:随衔铁移动,与不同静触点接触时接通不同的工作电路静触点:分常开与常闭两类,与动触点配合实现电路的接通或断开触点ElectromagneticRelay两个电路的划分电磁继电器的工作系统分为低压控制电路和高压工作电路两部分。控制电路包含电磁铁和低压电源,安全易操作;工作电路包含用电器和高压电源,通过触点通断实现控制。低压控制电路01组成部件:电磁铁线圈、低压电源、控制开关(手动或自动),构成一个独立的低压回路02电路特点:电压低、电流弱,操作人员可直接接触,安全性高;可接入传感器实现自动控制高压工作电路01组成部件:高压电源、用电器(电动机、电铃、指示灯等)、继电器的触点部分02电路特点:电压高、电流强,直接操作存在危险;触点的通断由控制电路间接决定电磁继电器控制电路与工作电路教学模型WORKINGPROCESS电磁继电器的工作过程电磁继电器的工作过程是一个"电-磁-力-电"的转换链:控制电路通电→电磁铁产生磁性→吸引衔铁→触点闭合→工作电路接通。断电时弹簧复位,触点断开,工作电路切断。01吸合过程闭合控制电路开关,电流流过电磁铁线圈产生磁场,电磁铁获得磁性,吸引衔铁克服弹簧拉力向下运动。电→磁02触点动作衔铁带动动触点移动,使动触点与静触点接触,工作电路被接通,用电器(如电动机)开始工作。力→电03释放过程断开控制电路开关,电磁铁线圈断电失去磁性,弹簧的弹力将衔铁拉回原位,带动动触点与静触点分离。磁→力04电路断开动触点与静触点分离后,工作电路被切断,用电器停止工作,继电器恢复到初始状态等待下一次操作。复位RelayContacts·触点分类常开触点与常闭触点继电器触点分为常开和常闭两种类型。常开触点在线圈未通电时断开、通电后闭合;常闭触点在未通电时闭合、通电后断开。正确选择触点类型是实现预期控制功能的关键。常开触点线圈未通电时处于断开状态的静触点,当电磁铁通电吸合衔铁后,动触点与其接触,电路接通通电闭合常闭触点线圈未通电时处于闭合状态的静触点,当电磁铁通电吸合衔铁后,动触点离开,电路断开通电断开应用选择原则需要"通电启动"的设备接常开触点;需要"通电停止"的设备接常闭触点电动机·报警器多触点扩展实际继电器常有多个触点组,可同时控制多个工作电路,实现复杂的控制逻辑与电路切换多路控制CHAPTER04实际应用与拓展自动控制系统中的继电器应用案例APPLICATIONADVANTAGES电磁继电器的三大应用优势电磁继电器的应用优势源于其"以小控大"的核心特性:安全控制避免高压危险,远距离操作突破空间限制,自动控制实现智能响应,三大优势使其成为现代控制系统的基石。安全控制利用低电压、弱电流控制高电压、强电流,操作人员无需直接接触高压电路,有效避免触电危险。典型场景如大型变电站的高压开关控制。远距离操作控制信号通过导线远程传输,操作人员可在安全的控制室远程操控危险区域设备。典型场景如核电站远程控制反应堆开关。自动控制在控制电路中接入温度、压力、光敏等传感器元件,实现环境参数变化时的自动响应,如温度报警器、光控路灯等。APPLICATIONCASE应用案例:温度自动报警器温度达到设定值时热敏电阻阻值下降,电流增大,电磁铁吸引衔铁切换触点触发电铃报警,是电磁继电器在安全监控中的典型应用。01核心元件控制电路中接入热敏电阻,其阻值随温度升高而减小,起到温度感知的作用。热敏电阻02正常状态温度低于设定值时,热敏电阻阻值大,控制电流小,电磁铁磁性弱,衔铁不被吸引,指示灯正常发光。指示灯亮03报警触发温度升高到设定值时,热敏电阻阻值变小,控制电流增大,电磁铁磁性增强,吸引衔铁使触点切换。触点切换04报警响应触点切换后,指示灯熄灭,电铃电路接通发出报警信号,提醒工作人员温度异常需采取措施。电铃报警APPLICATIONCASE应用案例:水位自动控制器水位自动控制器利用水的导电性感知水位变化,当水位达到设定高度时,控制电路接通,电磁铁动作切断水泵电源。这是电磁继电器在水利设施中实现无人值守控制的重要应用。01感知原理在水箱设定高度安装两个金属探针,利用水的导电性——水未接触探针时电路断开,水接触探针时电路接通。这一设计巧妙地将水位信号转换为电信号,为后续控制提供触发条件。02低水位状态水位低于探针时,控制电路断开,电磁铁无磁性,水泵工作电路保持接通,水泵持续抽水。此时系统处于补水阶段,确保水箱水量充足以满足用水需求。03高水位响应水位上升至探针位置,水连通两探针使控制电路接通,电磁铁产生磁性吸引衔铁,水泵电路断开停止抽水。该机制有效防止水位过高造成溢流浪费或设备损坏。04实际应用价值广泛用于水塔、蓄水池、锅炉等场景的自动补水控制,实现无人值守,避免溢水或干烧事故。该装置结构简单、成本低廉、可靠性高,是工业与民用领域的基础自动化设备。CaseStudy应用案例:光控路灯系统光控路灯利用光敏电阻感知环境光照变化,通过电磁继电器自动控制路灯的通断,实现智能节能管理。城市光控路灯夜景实拍CoreElement控制电路接入光敏电阻,其阻值随光照强度变化——光照强时阻值小,光照弱时阻值大Daytime光照强,光敏电阻阻值小,控制电流大,电磁铁磁性强,吸引衔铁使路灯电路断开,路灯不亮Nighttime光照减弱,光敏电阻阻值变大,控制电流减小,电磁铁磁性减弱,弹簧复位使路灯电路接通,路灯点亮Significance无需人工开关,路灯根据环境光照自动启停,避免白天忘记关灯造成的电能浪费,是智慧城市的基础设施TechnicalParameters电磁继电器的技术参数选用电磁继电器需关注五大技术参数:额定工作电压、直流电阻、吸合电流、释放电流和触点切换容量。这些参数决定了继电器能否在特定电路中正常、安全工作。01额定工作电压线圈正常工作时所需电压,不同型号可为交流或直流,须与控制电路电压匹配02吸合与释放电流吸合电流是使继电器动作的最小电流,释放电流是复位的最大电流,二者之差决定灵敏度03触点切换容量触点能承受的最大电压和电流,超过此值可能烧毁或粘连,须大于实际负载04直流电阻线圈的电阻值,可用万用表测量,用于判断线圈是否断路或短路常见继电器技术参数示例参数名称典型值说明额定工作电压5V/12V/24V线圈正常工作电压吸合电流≥30mA使继电器动作的最小电流触点切换电流≤10A触点允许通过的最大电流线圈直流电阻120Ω可用万用表检测好坏来源:选用继电器时必须确保工作电压、电流在额定范围内ELECTROMAGNETICRELAY·TESTINGMETHODS电磁继电器的检测方法使用万用表可对电磁继电器进行三项基本检测:测线圈电阻判断通断、测触点电阻判断好坏、测吸合释放参数判断性能。01测线圈电阻用万用表欧姆档测量线圈两端,正常应有固定阻值;阻值无穷大为断路,阻值为零为短路,均需更换。断路/短路02测触点电阻未通电时,常开触点阻值应为无穷大(开路),常闭触点阻值应接近零(导通),否则触点损坏。常开/常闭03测吸合参数逐渐增大线圈电压,记录继电器动作吸合时的电压和电流,应不超过标称吸合电压和吸合电流。吸合电压04测释放参数从吸合状态逐渐降低电压,记录继电器释放时的电压和电流,释放电压一般为吸合电压的10%-50%。10%–50%RELAYTYPES·拓展认知其他类型继电器拓展除电磁继电器外,固态继电器和热敏干簧继电器也是重要的控制元件。不同类型各有适用场景。SolidStateRelay固态继电器(SSR)采用半导体元件实现开关功能,无机械触点,不存在磨损和电弧问题,使用寿命远超电磁继电器响应速度极快(微秒级),适用于高频开关场合,广泛用于计算机接口、精密仪器和电力电子装置ThermalReedRelay热敏干簧继电器利用温度敏感材料控制干簧管的通断,当温度达到设定值时自动切换电路,结构简单、可靠性高专用于温度保护场合,如电机过热保护、电池温度监控等,是防止设备过热损坏的重要安全元件固态继电器实物·半导体元件替代机械触点,实现无磨损长寿命开关控制SUMMARY·电与磁核心知识总结电磁铁与电磁继电器是电与磁单元的核心内容。电磁铁利用电流磁效应工作,磁性受电流、匝数、铁芯三因素影响;电磁继电器是电磁铁的重要应用,实现以小控大的自动开关功能。电磁铁知识框架构造与原理:螺线管插入铁芯,利用电流磁效应工作,铁芯被磁化后与螺线管磁场叠加增强磁性三大特点:磁性有无由电流通断控制,强弱由电流大小和匝数调节,方向由电流方向决定影响因素:电流越大磁性越强,匝数越多磁性越强,铁芯越大磁性越强(控制变量法验证)电流·匝数·铁芯电磁继电器知识框架结构与原理:由电磁铁、衔铁、弹簧、触点组成,利用电磁铁控制工作电路通断的自动开关两个电路:低压控制电路(电磁铁+低压电源+开关)和高压工作电路(用电器+高压电源+触点)三大应用优势:安全控制(以低控高)、远距离操作、自动控制(配合传感器实现智能响应)以小控大·自动开关COMMONMISTAKES易错点提醒本节知识的常见错误包括:铁芯材料选择错误、继电器工作原理表述不完整、实验结论缺少前提条件、混淆控制电路和工作电路的组成。掌握这些易错点可有效避免考试失分。01铁芯材料易错电磁铁的铁芯必须用软铁而非钢芯,钢被磁化后磁性不消失,无法实现断电失磁的控制特性。软铁02控制方式易错电磁继电器是"间接控制"工作电路,而非直接控制——通过触点通断实现,不能省略这一关键环节。间接控制03结论表述易错描述实验结论时必须加前提条件,如"在线圈匝数一定时,电流越大磁性越强",不能省略控制变量条件。控制变量04电路混淆易错控制电路包含电磁铁和低压电源,工作电路包含用电器和高压电源,二者是独立电路不能混为一谈。独立电路THINKINGQUESTIONS课后思考题通过三道思考题检验学生对电磁铁和电磁继电器知识的综合应用能力。题目涉及铁芯材料分析、温控电路设计和继电器优势对比,旨在培养学生的物理思维和工程意识。01铁芯材料分析如果将电磁铁的铁芯换成铜棒,通电后能否产生较强的磁性?请从磁化角度分析原因。磁化02温控电路设计设计一个温控风扇自动控制电路,要求环境温度高于30℃时风扇自动启动,低于25℃时自动停止,画出电路图并说明工作过程。30℃03继电器优势对比对比电磁继电器与普通手动开关,从安全性、操作性、功能性三个维度分析继电器至少三点优势。三维度04固态继电器探究查阅资料了解"固态继电器"与"电磁继电器"的区别,思考在哪些场合固态继电器更适合使用。拓展SUPPLEMENTARYEXPERIMENT补充实验:铁芯大小对磁性的影响在电流和线圈匝数都不变的条件下,较大的铁芯能产生更强的磁性,因为更多的铁磁材料被磁化产生更强的附加磁场。但铁芯尺寸需与线圈匹配,过大反而降低磁场利用率。01实验设计保持电流大小和线圈匝数不变,分别将大铁芯和小铁芯插入同一通电螺线管中,观察吸引铁钉的数量差异控制变量02实验现象插入大铁芯时吸引铁钉数量明显多于小铁芯,说明在相同条件下较大铁芯能产生更强的磁性铁钉数↑03原因分析较大铁芯含有更多铁磁材料,在螺线管磁场中被磁化后产生的附加磁场更强,因此整体磁性更强附加磁场04实际应用启示电磁铁设计时需合理匹配铁芯尺寸与线圈规格,铁芯过小磁性不足,过大则磁场利用率下降造成浪费尺寸匹配INDUSTRIALAPPLICATION工业应用:自动化生产线中的继电器电磁继电器是现代自动化生产线的核心控制元件,从产品计数到流水线启停,从安全保护到工艺切换,继电器无处不在。现代工厂自动化生产线实景产品计数控制:传感器检测到产品通过时发送信号,继电器接收信号后触发计数器记录,实现自动化产量统计电机正反转控制:通过多个继电器组合切换电机接线方式,实现流水线的正转、反转和停止控制安全保护功能:当检测到过载、短路或设备故障时,继电器迅速切断电源,保护设备和操作人员安全工艺流程切换:在需要多步骤加工的产线上,继电器按时序切换不同工位的电源,实现工艺流程的自动衔接MEDICALAPPLICATION拓展应用:电磁铁在医疗设备中的应用电磁铁在医疗领域有着不可替代的重要应用。核磁共振成像仪(MRI)利用超导电磁铁产生强磁场进行无辐射体内成像,是现代医学诊断的核心设备之一。01核磁共振成像(MRI)利用超导电磁铁产生数特斯拉的强大磁场,配合射频脉冲对人体组织进行高分辨率成像,可清晰显示脑部、脊髓、关节等软组织结构02MRI的核心优势不使用电离辐射,对人体更安全;对软组织的成像效果远优于CT和X光,无骨伪影干扰,可多方位、多参数成像03粒子治疗设备利用电磁铁加速和引导质子、重离子等带电粒子束,精准照射肿瘤病灶,实现对癌症的精确放射治疗,最大限度保护健康组织04电磁铁技术启示从课堂小电磁铁到医院大型MRI设备,原理相同但规模差异巨大,体现基础科学向高端医疗装备转化的强大力量核磁共振成像仪(MRI)—现代医学诊断的核心设备ANALYSISFRAMEWORK综合练习:继电器电路分析分析电磁继电器应用电路需遵循三步法:识别电路组成、分析电磁铁状态变化、追踪触点动作判断工作电路通断。掌握这一分析框架可应对各类继电器应用题型。01识别电路分清控制电路(含电磁铁、低压电源、开关或传感器)和工作电路(含用电器、高压电源、触点)。控制电路负责产生磁场,工作电路负责执行实际功能,两者通过继电器触点联动。02分析电磁铁判断控制电路是否接通,确定电磁铁有无磁性——通电有磁性吸引衔铁,断电无磁性弹簧复位。磁性变化是继电器动作的核心驱动力,直接影响后续触点状态。03追踪触点根据衔铁运动方向判断动触点与哪个静触点接触,从而确定工作电路中哪个用电器被接通。常开触点

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