السبائك الثنائية: التعريف، الخصائص، والتطبيقات

يُعرف المعدن الثنائي بأنه كائن مكون من معدنين منفصلين متصلين معًا بواسطة عملية ميتالورجية. على عكس السبائك، التي هي خليط من معدنين أو أكثر، تتكون المواد ثنائية المعدن من طبقات من المعادن المختلفة التي تحتفظ بخصائصها الفردية. يمكن أيضًا تسمية المواد ثنائية المعدن بالمنتجات ثنائية المعدن أو المواد ثنائية المكون.

تتميز المواد ثنائية المعدن بوجود منطقتين معدنيتين مختلفتين للمعادن الأصلية، والتي تعمل ميكانيكيًا وكهربائيًا كوحدة واحدة. ميزة المواد ثنائية المعدن هي القدرة على الاستفادة الكاملة من أفضل خصائص كل معدن في منتج واحد. على سبيل المثال، يمكن أن تجمع المواد ثنائية المعدن بين قوة أحد المعادن ومقاومة التآكلللآخر، أو الموصلية لأحد المعادن مع التكلفة المناسبة للآخر.

تستخدم المواد ثنائية المعدن على نطاق واسع في العديد من الصناعات والتطبيقات، مثل الموصلات الكهربائية، نقاط الاتصال الكهربائية، المحافظ الحرارية، أجهزة قياس الحرارة، الأجهزة الحامية، الساعات، العملات المعدنية، العلب، الشفرات، وغيرها. في هذا المقال، سنستكشف مبدأ العمل، والتركيبات الشائعة، والتطبيقات الرئيسية للمواد ثنائية المعدن.

كيف تعمل المواد ثنائية المعدن؟

يعتمد مبدأ عمل المواد ثنائية المعدن على حقيقة أن المعادن المختلفة لها معاملات مختلفة للتضخم الخطي الحراري (αL)، مما يعني أنها تتسع أو تتقلص بمعدلات مختلفة عند تسخينها أو تبريدها. يتم تعريف معامل التضخم الخطي الحراري بأنه التغيير الكسري في الطول لكل درجة تغيير في الحرارة.

حيث،

l هو الطول الأولي للجسم،

Δl هو التغيير في الطول،

Δt هو التغيير في الحرارة،

وحدة αL هي لكل درجة مئوية.

يتكون المعدن الثنائي من شريطين من معدنين مختلفين لهما معاملات مختلفة للتضخم الخطي الحراري، ملتصقين طوليًا. يظهر المعدن الثنائي عند درجة حرارة طبيعية في الشكل أدناه.

عند تسخينه، تكون التوسعات في طول الشريطين المعدنيين مختلفة. هذا يجعل العنصر ثنائي المعدن ينحني ويتشكل في قوس بحيث يكون المعدن ذو المعامل الأعلى للتضخم الخطي الحراري على الجانب الخارجي من القوس، والمعدن ذو المعامل الأدنى للتضخم الخطي الحراري على الجانب الداخلي من القوس كما يظهر في الشكل أدناه.

عند تبريده، ينحني العنصر ثنائي المعدن ويتشكل في قوس بحيث يكون المعدن ذو المعامل الأدنى للتضخم الخطي الحراري على الجانب الخارجي من القوس، والمعدن ذو المعامل الأعلى للتضخم الخطي الحراري على الجانب الداخلي من القوس كما يظهر في الشكل أدناه.

يمكن استخدام الظاهرة المذكورة أعلاه لإنتاج جهاز مفيد للكشف عن قياس التغيرات في درجة الحرارة.

ما هي بعض التركيبات الشائعة لصنع المواد ثنائية المعدن؟

يمكن استخدام العديد من تركيبات المعادن ذات المعاملات المختلفة للتضخم الخطي الحراري لتشكيل المواد ثنائية المعدن. فيما يلي بعض التركيبات الشائعة المستخدمة لصنع الشرائط ثنائية المعدن:

• الحديد (معامل تضخم عالي) والنحاس (معامل تضخم منخفض)

• البرونز (معامل تضخم عالي) والفولاذ (معامل تضخم منخفض)

• النحاس (معامل تضخم عالي) والحديد (معامل تضخم منخفض)

• الكونستانتان (معامل تضخم عالي) وإنفار (معامل تضخم منخفض)

ما هي بعض التطبيقات الرئيسية للمواد ثنائية المعدن؟

للمواد ثنائية المعدن العديد من التطبيقات في مجالات مختلفة. فيما يلي بعض هذه التطبيقات:

المحافظ الحرارية

تعتبر المواد ثنائية المعدن مفيدة جدًا لصناعة المحافظ الحرارية لتوصيل الدوائر بشكل آلي لتحكم في درجة حرارة بعض الأجهزة مثل المدافئ الكهربائية، الأدوات الكهربائية، الثلاجات، الأفران الكهربائية، وغيرها. في بعض الدوائر، ينتج التيار الذي يمر عبر المحافظ الحرارية حرارة لتشغيلها.

يظهر المحافظ الحراري النموذجي ثنائي المعدن لهذه العملية في الشكل أدناه:

في التشغيل كحافظ حراري، يتم تثبيت أحد طرفي المادة ثنائية المعدن وتوصيله بمصدر التغذية. الطرف الآخر حر للتحرك. يتم ربط نقطة اتصال كهربائية بالطرف الحر للمادة ثنائية المعدن، والتي تتحرك مع توسعها وانحنائها.

عند درجة حرارة طبيعية، تقوم هذه النقطة المتحركة بالتواصل مع نقطة اتصال ثابتة، كما يظهر في الشكل أعلاه. عند تسخينها، تنحنى شريط المادة ثنائية المعدن وتقطع الاتصال بالنقطة الثابتة، كما يظهر في الشكل أدناه. هذا يفتح أو يغلق دائرة حسب تصميمها.