双金属：定義、特性、および応用
バイメタルとは、冶金過程によって2つの異なる金属が接合された物体を指します。合金とは異なり、バイメタルは混合物ではなく、異なる金属の層がそれぞれの特性を保持しています。バイメタルは、バイメタリック製品または二成分材料と呼ばれることもあります。
バイメタルは、親金属の2つの明確な金属ゾーンで特徴付けられ、これらは機械的および電気的に単一のユニットとして機能します。バイメタルの利点は、1つの製品内で各金属の最高の特性を完全に活用できることです。たとえば、バイメタルは、ある金属の強度と別の金属の腐食耐性を組み合わせたり、ある金属の導電性と別の金属のコスト効果を組み合わせたりすることができます。
バイメタルは、様々な産業やアプリケーションで広く使用されており、例えば電気導体、電気接点、サーモスタット、温度計、保護装置、時計、硬貨、缶、刃物などがあります。この記事では、バイメタルの動作原理、一般的な組み合わせ、主要な用途について探求します。
バイメタルはどのように働くのか？
バイメタルの動作原理は、異なる金属が異なる線膨張係数（αL）を持つという事実に基づいています。これは、加熱または冷却時に異なる速度で拡張または収縮することを意味します。線膨張係数は、温度変化に対する長さの変化率を定義します。
ここで、
lは物体の初期長さ、
Δlは長さの変化、
Δtは温度の変化、
αLの単位は°Cあたりです。
バイメタルは、異なる線膨張係数を持つ2つの異なる金属のストリップを長さ方向に溶接して形成されます。通常の温度でのバイメタルは以下の図に示されています。
加熱すると、両方の金属ストリップの長さの拡張は異なります。これにより、バイメタル要素は弧を描き、線膨張係数が高い金属が弧の外側に、線膨張係数が低い金属が弧の内側になります。以下の図に示されています。
冷却すると、バイメタル要素は弧を描き、線膨張係数が低い金属が弧の外側に、線膨張係数が高い金属が弧の内側になります。以下の図に示されています。
上記の現象は、温度の変化を検出および測定するための有用なデバイスを作成するために使用できます。
バイメタルを作るための一般的な組み合わせは何ですか？
異なる線膨張係数を持つ多くの金属の組み合わせを使用してバイメタルを作ることができます。以下に、バイメタルストリップを作るために一般的に使用される組み合わせをいくつか挙げます：
鉄（高αL）とニッケル（低αL）
真鍮（高αL）と鋼（低αL）
銅（高αL）と鉄（低αL）
コンスタンタン（高αL）とイナバール（低αL）
バイメタルの主な用途は何ですか？
バイメタルは様々な分野で多くの用途があります。以下にいくつかを挙げます：
サーモスタット
バイメタルは、電気ヒーター、電気アイロン、冷蔵庫、電気オーブンなどの特定の家電製品の温度制御のために回路を自動的に切り替えるサーモスタットを作るために非常に有用です。一部の回路では、サーモスタット自体を通る電流がその動作に必要な熱を生成します。
この操作のための典型的なバイメタリックサーモスタットは以下の図に示されています：
サーモスタットとして動作する際、バイメタルの一端は固定され、供給源に接続されます。もう一方の端は自由に動きます。電気接点がバイメタルの自由端に取り付けられており、拡張と曲がりとともに動きます。
常温では、この可動接点は固定接点と接触します。加熱すると、バイメタルストリップは曲がり、固定接点から離れます。これにより、設計に応じて回路が開いたり閉じたりします。
再び常温に戻ると、バイメタルは元の形状に戻り、設計に応じて回路を開いたり閉じたりします。
