دوبعدی: تعریف، ویژگی‌ها و کاربردها

بی‌متال به اشیاء‌ای گفته می‌شود که از دو فلز جداگانه تشکیل شده و با یک روند متالورژیکی به هم پیوسته‌اند. برخلاف آلیاژها که ترکیباتی از دو یا چند فلز هستند، بی‌متال‌ها شامل لایه‌های مختلف فلزاتی هستند که ویژگی‌های فردی خود را حفظ می‌کنند. بی‌متال‌ها می‌توانند نام‌های دیگری نیز داشته باشند مانند محصولات دومتالی یا مواد دو‌مؤلفه‌ای.

بی‌متال‌ها به دلیل وجود دو منطقه فلزی متمایز از فلزات اصلی مشخص می‌شوند که به صورت مکانیکی و الکتریکی به عنوان یک واحد عمل می‌کنند. مزیت بی‌متال‌ها این است که قادر به بهره‌برداری کامل از بهترین ویژگی‌های هر فلز در یک محصول واحد هستند. به عنوان مثال، بی‌متال‌ها می‌توانند قدرت یک فلز را با مقاومت در برابر فرسودگی فلز دیگری ترکیب کنند یا هدایت‌پذیری یک فلز را با اقتصادی‌بودن فلز دیگری ترکیب کنند.

بی‌متال‌ها به طور گسترده در صنایع مختلف و کاربردهای متنوعی مانند هادی‌های الکتریکی، تماس‌های الکتریکی، ترمیستورها، ترمومترها، دستگاه‌های محافظ، ساعت‌ها، سکه‌ها، کنسروها، دندانه‌ها و غیره استفاده می‌شوند. در این مقاله، ما به اصول کاری، ترکیبات رایج و کاربردهای مهم بی‌متال‌ها خواهیم پرداخت.

بی‌متال‌ها چگونه کار می‌کنند؟

اصول کاری بی‌متال‌ها بر اساس این حقیقت است که فلزات مختلف ضرایب تغییرات خطی حرارتی (αL) متفاوتی دارند که به معنای این است که آنها با نرخ‌های متفاوتی در زمان گرم شدن یا سرد شدن منبسط یا انقباض می‌یابند. ضریب تغییرات خطی حرارتی به عنوان تغییرات کسری در طول به ازای تغییر یک درجه در دما تعریف می‌شود.

که در آن،

l طول اولیه شیء است،

Δl تغییر در طول است،

Δt تغییر در دما است،

واحد αL به درجه سانتیگراد است.

بی‌متال از دو نوار از دو فلز مختلف با ضرایب تغییرات خطی حرارتی متفاوت تشکیل شده که طولی به هم جوشانده شده‌اند. یک بی‌متال در دمای عادی در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگام گرم شدن، تغییرات در طول هر دو نوار فلزی متفاوت است. این امر باعث می‌شود که المان دومتالی خم شده و به صورت یک قوس شکل گیرد به گونه‌ای که فلز با ضریب تغییرات خطی حرارتی بالاتر در سمت بیرون قوس و فلز با ضریب تغییرات خطی حرارتی پایین‌تر در سمت داخل قوس قرار می‌گیرد، مانند شکل زیر.

هنگام سرد شدن، المان دومتالی خم شده و به صورت یک قوس شکل گیرد به گونه‌ای که فلز با ضریب تغییرات خطی حرارتی پایین‌تر در سمت بیرون قوس و فلز با ضریب تغییرات خطی حرارتی بالاتر در سمت داخل قوس قرار می‌گیرد، مانند شکل زیر.

این پدیده می‌تواند برای تولید دستگاه مفیدی برای تشخیص و اندازه‌گیری تغییرات در دما استفاده شود.

چه ترکیباتی برای تولید بی‌متال‌ها معمولاً استفاده می‌شود؟

بسیاری از ترکیبات فلزات با ضرایب تغییرات خطی حرارتی متفاوت می‌توانند برای تولید بی‌متال‌ها استفاده شوند. برخی از ترکیبات رایج برای تولید نوارهای دومتالی در زیر فهرست شده‌اند:

• آهن (با αL بالا) و نیکل (با αL پایین)

• مس (با αL بالا) و فولاد (با αL پایین)

• سیم (با αL بالا) و آهن (با αL پایین)

• کانستان (با αL بالا) و اینوار (با αL پایین)

چه کاربردهای اصلی‌ای برای بی‌متال‌ها وجود دارد؟

بی‌متال‌ها کاربردهای متعددی در زمینه‌های مختلف دارند. برخی از این کاربردها در زیر فهرست شده‌اند:

ترمیستورها

بی‌متال‌ها برای ساخت ترمیستورها برای کنترل خودکار مدارهایی برای کنترل دما در وسایل مختلف مانند گرمکن‌های الکتریکی، آهن‌گرم‌کن‌های الکتریکی، یخچال‌ها، فر‌های الکتریکی و غیره بسیار مفید هستند. در برخی از مدارها، جریان عبوری از ترمیستور خود برای عملکرد آن گرما تولید می‌کند.

یک ترمیستور دومتالی معمولی برای این عملکرد در شکل زیر نشان داده شده است: