Bimetallit: Määritelmä ominaisuudet ja sovellukset
Bimetalli on kahden eri metallin yhdistelmä, joka on liitetty metallurgisella prosessilla. Bimetallit eroavat liuottumista, jotka ovat useamman kuin kahden metallin seoksia, sillä bimetallit koostuvat eri metallien kerroksista, jotka säilyttävät omat ominaisuutensa. Bimetalleja voidaan myös kutsua bimetalisisiksi tuotteiksi tai bikioteknisiiksi materiaaleiksi.
Bimetallit luonnehditaan kahdella erillisenä metallinenä alueena, jotka toimivat mekanisesti ja sähköisesti yhtenä kokonaisuutena. Bimetallien etuna on kyky hyödyntää jokaisen metallin parhaita ominaisuuksia yhden tuotteen sisällä. Esimerkiksi bimetallit voivat yhdistää yhden metallin vahvuuden toisen metallin sähköisen vastustuksen kanssa, tai yhden metallin johtavuuden toisen metallin kustannustehokkuuden kanssa.
Bimetallit käytetään laajasti eri teollisuuden aloissa ja sovelluksissa, kuten sähköjohtimet, sähköiset yhteystulppaat, termostaatit, termometrit, suoja-levyjä, kellot, kolikot, purkit, terät ja muuta. Tässä artikkelissa tutkimme bimetallien toimintaperiaatteita, yleisiä yhdistelmiä ja tärkeitä sovelluksia.
Miten bimetallit toimivat?
Bimetallien toimintaperiaate perustuu siihen, että eri metallilla on erilainen lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (αL), mikä tarkoittaa, että ne laajenevat tai tiukentuvat eri nopeudella, kun niitä lämmitetään tai jäädytetään. Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin määritellään pituuden muutoksen suhteena lämpötilan muutokseen.
Mikäli,
l on objektin alkuperäinen pituus,
Δl on pituuden muutos,
Δt on lämpötilan muutos,
Yksikkö αL on per °C.
Bimetalli koostuu kahdesta eri metallista, joilla on erilainen lineaarinen lämpölaajenemiskerroin, ja ne on yhdistetty pituussuunnassa. Normaalilämpötilassa oleva bimetalli on nähtävissä alla olevassa kuvassa.
Kun bimetallia lämmitetään, metallileisten pituuden muutos on erilainen. Tämä aiheuttaa bimetallisen elementin taipumaan ja muodostamaan kaaren siten, että metalli, jolla on korkeampi lineaarinen lämpölaajenemiskerroin, on kaaren ulkopuolella, ja metalli, jolla on alhaisempi lineaarinen lämpölaajenemiskerroin, on kaaren sisäpuolella, kuten alla olevassa kuvassa nähdään.
Kun bimetallia jäädytetään, bimetallinen elementti taipuu ja muodostaa kaaren siten, että metalli, jolla on alhaisempi lineaarinen lämpölaajenemiskerroin, on kaaren ulkopuolella, ja metalli, jolla on korkeampi lineaarinen lämpölaajenemiskerroin, on kaaren sisäpuolella, kuten alla olevassa kuvassa nähdään.
Tätä ilmiötä voidaan käyttää hyödyksi laitteiden kehittämisessä, jotka havaitsevat ja mitaavat lämpötilan muutoksia.
Mitä yleisiä yhdistelmiä käytetään bimetallien valmistukseen?
Monia metalliyhdistelmiä, joilla on erilainen lineaarinen lämpölaajenemiskerroin, voidaan käyttää bimetallien valmistukseen. Jotkut yleisimmistä metalliyhdistelmistä, joita käytetään bimetallisten nauhojen valmistukseen, on lueteltu alla:
Rauta (korkea αL) ja nikkeli (alhainen αL)
Pruuikki (korkea αL) ja teräs (alhainen αL)
Kupari (korkea αL) ja rauta (alhainen αL)
Constantan (korkea αL) ja Invar (alhainen αL)
Mitä ovat bimetallien tärkeät sovellukset?
Bimetallitillä on monia sovelluksia eri aloilla. Joitakin näistä on lueteltu alla:
Termostaatit
Bimetallit ovat hyvin käyttökelpoisia termostaatteja varten, jotka automaattisesti kytketään piireihin hallitakseen eri laitteiden, kuten sähkölämmitysten, sähkörautujen, jääkaappien, sähköuunien jne. lämpötilaa. Jossain piireissä virta kulkee itse termostaatissa tuottaen lämpöä sen toimintaan.
Typinen bimetallinen termostaatti tälle operaatiolle on nähtävissä alla olevassa kuvassa:
Termostaatin toiminnassa yksi bimetallin pää on kiinteä ja yhdistetty virtalähteen kanssa. Toista pää on vapaa liikkua. Sähköinen yhte
