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Physikalische Grundlage: Wickelt man einen Draht um einen Stab aus magnetisierbarem Metall (z.B. Eisen bzw. Eisenlegierung) und lässt einen Strom durch diesen Draht fliessen, so entsteht quer zum Draht, d.h. längs dem Stab ein Magnetfeld, das die Atome des Metalls zwingt, sich gleichmässig auszurichten: der Stab wird magnetisch und kann andere Metallteile anziehen. Durch die geeignete Wahl der Legierung wird sichergestellt, dass die Atome rasch in einen ungeordneten Zustand zurückkehren, wenn das elektrisch erzeugte Magnetfeld abgeschaltet wird. (Im Gegensatz dazu sind Permanentmagnete, wie man sie etwa zum Aufhängen von Notizen an der Kühlschranktür benützt, aus Legierungen hergestellt, bei denen der geordnete Zustand lange anhält.)
Zum Relais wird der Elektromagnet, wenn man in kleinem Abstand zum Stab einen sogenannten Anker aus magnetisierbarem Metall anbringt (im Bild rechts), der von einer Feder vom Stab weggezogen wird. Fliesst nun der Strom, so wird der Stab magnetisiert und der Anker zum Stab hin gezogen. Diese Bewegung wird auf eine oder mehrere Kontaktfedern (im Bild oben) übertragen, die einen elektrischen Stromkreis schliessen oder öffnen. Ein Kontakt, der in Ruhestellung des Relais (in der Spule fliesst kein Strom) geschlossen ist, heisst Ruhekontakt oder Öffner, ein Kontakt, der in Arbeitsstellung (in der Spule fliesst Strom) geschlossen ist, heisst Arbeitskontakt oder Schliesser.
Relais existieren in verschiedensten Bauformen für einfache Steuerungen oder als Leistungsschalter für grosse Ströme. In der Stellwerktechnik werden meist Sicherheitsrelais mit zwangsgeführten Kontakten eingesetzt. Während bei einem normalen Relais die Kontaktfedern direkt am Anker befestigt sind und einzeln in die Ruhelage zurückkehren oder auch einzeln durch zu grosse Ströme verschweisst werden können, bewegt der Anker beim Sicherheitsrelais zunächst einen oder mehrere Stege. Die einzelnen Kontakte werden über die Stege miteinander verbunden (rot eingezeichnet: Stromlauf von der einen Kontaktfeder über den Steg zur anderen Kontaktfeder). Die Stege drücken die Arbeitskontakte nach oben, wenn das Relais anzieht, und fallen bei Abfall der Steuerspannung dank ihrer massiven Bauweise durch die Schwerkraft zuverlässig ab. Sollten Kontakte (aufgrund zu hoher Ströme, z.B. bei Kurzschluss) verschweisst werden, so werden sie am Steg verschweisst, der Steg (und alle mit ihm verbundenen Stege) kann nicht abfallen und sämtliche Ruhekontakte bleiben offen. Man nennt solche Kontakte zwangsgeführt. Wird in der Stellwerkschaltung von jedem Relais ein Ruhekontakt und ein Arbeitskontakt geprüft, so muss der Fehler sich zwingend offenbaren.
Eine Spezialform des Sicherheitsrelais ist das Stützrelais. Es besteht aus zwei mechanisch miteinander gekoppelten Sicherheitsrelais, bei denen das erste sich beim Anziehen auf eine kleine mechanische Klappe abstützt und somit auch bei Stromausfall in seiner Lage verbleibt, während das zweite Relais beim Anziehen die ganze Kombination aus dem abgestützten Zustand heraushebt und in die Grundstellung zurückfallen lässt.