מתכות כפולות: הגדרה תכונות ומשתלבות

בימטאל מוגדר כעצם המורכב משני מתכות נפרדות שמחוברות באמצעות תהליך מטאלורגיה. בניגוד לאלויים, שהם ערבוב של שתי מתכות או יותר, בימטלים מורכבים מהלכים שונים של מתכות שמכבדות את התכונות האינדיבידואליות שלהן. ניתן לקרוא לבימטלים גם מוצרים בימטליים או חומרים דו-רכיביים.

בימטלים מאופיינים בשני אזורים מתכתיים נפרדים של המתכות המקוריות, שפועלים מכנית ואלקטרונית כיחידה אחת. היתרונות של הבימטלים הם היכולת לנצל באופן מלא את התכונות הטובות ביותר של כל מתכת בתוך מוצר אחד. לדוגמה, בימטלים יכולים להשלב את החוזק של מתכת אחת עם ההתנגדות לקורוזיההחשמלית של אחרת, או את הנשיאה של מתכת אחת עם ההון הנמוך של אחרת.

בימטלים נמצאים בשימוש רחב בתעשיות שונות ומשתנים, כגון נושאי חשמל, מגע חשמלי, תרסטטים, מד טמפרטורה, מכשירי הגנה, שעונים, מטבעות, קנים, פסיקות ועוד. בערך זה נחקור את עקרון העבודה, השילובים הנפוצים והיישומים העיקריים של בימטלים.

איך עובד הבימטל?

עקרון העבודה של הבימטלים מבוסס על העובדה שישנם מתכות שונות עם מקדם הרחבה תרמית ליניארית שונה (αL), כלומר הן מתפשטות או מתכווצות בקצב שונה כאשר הן מת erwärmt oder abgekühlt werden. Der Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung ist definiert als die prozentuale Änderung der Länge pro Gradänderung der Temperatur.

כאשר,

l הוא האורך הראשוני של האובייקט,

Δl הוא השינוי באורך,

Δt הוא השינוי בטמפרטורה,

יחידת αL היא לכל °C.

בימטל מורכב משתי פסי מתכת שונות עם מקדמי הרחבת תרמית ליניארית שונים, מחוברות לאורך. בימטל בטמפרטורה נורמלית מוצג בציור שלהלן.

כאשר מת erwärmt, sind die Dehnungen in der Länge beider Metallstreifen unterschiedlich. Dies verursacht, dass das bimetallische Element sich biegt und einen Bogen bildet, so dass das Metall mit dem höheren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung auf der äußeren Seite des Bogens und das Metall mit dem niedrigeren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung auf der inneren Seite des Bogens liegt, wie im folgenden Bild gezeigt.

כאשר מתקרר, אלמנט הבימטלי מתעקם ויוצר קשת כך שהמתכת עם מקדם הרחבת תרמית ליניארית נמוך היא על הצד החיצוני של הקשת, והמתכת עם מקדם הרחבת תרמית ליניארית גבוה היא על הצד הפנימי של הקשת, כפי שמוצג בציור שלהלן.

הופעה זו יכולה לשמש לייצור מכשיר שימושי לגילוי ומדידת שינויים בטמפרטורה.

מהן כמה הצירופים הנפוצים לייצור בימטלים?

מספר רב של צירופי מתכות עם מקדמי הרחבת תרמית ליניארית שונים יכול לשמש לייצור בימטלים. כמה מהצירופים הנפוצים לייצור פסי בימטלים מפורטים להלן:

• ברזל (αL גבוה) וניקל (αL נמוך)

• ברונזה (αL גבוה) ופלדה (αL נמוך)

• נחושת (αL גבוה) וברזל (αL נמוך)

• קונסטנטאן (αL גבוה) ואינוואר (αL נמוך)

מהן כמה היישומים העיקריים של בימטלים?

לבימטלים יש יישומים רבים במגוון תחומים. חלק מהם מפורטים להלן:

תרסטטים

בימטלים מאוד שימושיים לייצור תרסטטים לחיבור אוטומטי של מעגלים לשליטה בטמפרטורה של מכשירים מסוימים כמו מתחמים חשמליים, ברזים חשמליים, מקררים, תנורים חשמליים וכדומה. בחלק מהמעגלים, הזרם העובר דרך התרmostat עצמו מייצר חום עבור פעולתו.

תרmostat בימטלי טיפוסי לעסקה זו מוצג בציור שלהלן:

בפעולתו כתרmostat, אחד קצות הבימטל קשור ומתחבר למקור החשמל. הקצה השני חופשי לנוע. מגע חשמלי מחובר לקצה החופשי של הבימטל, שנע עם הרחבתו וביווכו.

בטמפרטורה נורמלית, מגע זה עושה מגע עם מגע קבוע, כפי שמוצג בציור למעלה. כאשר מת erwärmt, krümmt sich dieses bimetallische Band und trennt sich vom festen Kontakt, wie im folgenden Bild gezeigt. Dies öffnet oder schließt den Schaltkreis, je nach seiner Konstruktion.

כאשר מתקרר שוב לטמפרטורה הנורמלית, הבימטל חוזר לצורתו המקורית ופותח או סוגר מעגל בהתאם לעיצובו.