Bimetalle: Definition, Eigenschaften und Anwendungen

Ein Bimetall ist ein Objekt, das aus zwei getrennten Metallen besteht, die durch einen metallurgischen Prozess verbunden sind. Im Gegensatz zu Legierungen, die Mischungen aus zwei oder mehr Metallen sind, bestehen Bimetalle aus Schichten verschiedener Metalle, die ihre individuellen Eigenschaften beibehalten. Bimetalle können auch als bimetallische Produkte oder zweikomponentige Materialien bezeichnet werden.

Bimetalle zeichnen sich durch zwei unterschiedliche metallische Zonen der Ausgangsmetalle aus, die mechanisch und elektrisch als eine Einheit funktionieren. Der Vorteil von Bimetallen liegt in der Möglichkeit, die besten Eigenschaften jedes Metalls in einem einzigen Produkt vollständig auszuschöpfen. Zum Beispiel können Bimetalle die Stärke eines Metalls mit der Korrosionsbeständigkeit eines anderen kombinieren, oder die Leitfähigkeit eines Metalls mit der Kosteneffizienz eines anderen.

Bimetalle finden in verschiedenen Branchen und Anwendungen weite Verwendung, wie z.B. elektrische Leiter, elektrische Kontakte, Thermostate, Thermometer, Schutzvorrichtungen, Uhren, Münzen, Dosen, Sägeblätter und vieles mehr. In diesem Artikel werden wir den Arbeitsprinzip, gängige Kombinationen und wichtige Anwendungen von Bimetallen untersuchen.

Wie funktionieren Bimetalle?

Das Arbeitsprinzip von Bimetallen basiert darauf, dass verschiedene Metalle unterschiedliche lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten (αL) haben, was bedeutet, dass sie bei Erwärmung oder Abkühlung unterschiedlich stark expandieren oder zusammenziehen. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient wird definiert als der prozentuale Längenänderungsgrad pro Temperaturänderung.

Wobei,

l die anfängliche Länge des Objekts ist,

Δl die Änderung der Länge ist,

Δt die Änderung der Temperatur ist,

Die Einheit von αL ist pro °C.

Ein Bimetall besteht aus zwei Streifen aus zwei verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die längsweise verlötet sind. Ein Bimetall bei Normaltemperatur ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Bei Erwärmung sind die Längenänderungen beider Metallstreifen unterschiedlich. Dies führt dazu, dass das bimetallische Element biegt und einen Bogen bildet, so dass das Metall mit dem höheren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf der Außenseite des Bogens und das Metall mit dem niedrigeren Koeffizienten auf der Innenseite des Bogens liegt, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Bei Abkühlung biegt sich das bimetallische Element und bildet einen Bogen, so dass das Metall mit dem niedrigeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf der Außenseite des Bogens und das Metall mit dem höheren Koeffizienten auf der Innenseite des Bogens liegt, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Dieses Phänomen kann genutzt werden, um ein nützliches Gerät zur Erfassung und Messung von Temperaturänderungen herzustellen.

Welche gängigen Kombinationen gibt es für die Herstellung von Bimetallen?

Viele Kombinationen von Metallen mit unterschiedlichen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten können verwendet werden, um Bimetalle herzustellen. Einige der gängigsten Kombinationen für die Herstellung von bimetallischen Streifen sind unten aufgelistet:

• Eisen (hoher αL) und Nickel (niedriger αL)

• Messing (hoher αL) und Stahl (niedriger αL)

• Kupfer (hoher αL) und Eisen (niedriger αL)

• Constantan (hoher αL) und Invar (niedriger αL)

Welche Hauptanwendungen gibt es für Bimetalle?

Bimetalle haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Einige davon sind unten aufgelistet:

Thermostate

Bimetalle sind sehr nützlich für die Herstellung von Thermostaten, die automatisch Schaltkreise zum Steuern der Temperatur bestimmter Geräte wie elektrische Heizer, Bügeleisen, Kühlschränke, elektrische Öfen usw. schalten. In manchen Schaltkreisen erzeugt der Strom, der durch den Thermostat fließt, selbst Wärme für seine Funktion.

Ein typischer bimetallischer Thermostat für diese Funktion ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Bei der Funktion als Thermostat ist ein Ende des Bimetalls fest montiert und mit der Stromquelle verbunden. Das andere Ende ist frei beweglich. Ein elektrischer Kontakt ist am freien Ende des Bimetalls angebracht, der sich mit seiner Ausdehnung und Biegung bewegt.

Bei Normaltemperatur macht dieser bewegliche Kontakt Kontakt mit einem festen Kontakt, wie in der obigen Abbildung dargestellt. Bei Erwärmung biegt sich dieser bimetallische Streifen und trennt sich vom festen Kontakt, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Dies öffnet oder schließt einen Schaltkreis, je nach Design.

Wenn die Temperatur wieder auf Normaltemperatur abfällt, kehrt das Bimetall zu seiner ursprünglichen Form zurück und schließt oder öffnet einen Schaltkreis, je nach Design.