Bimetallen: Definitie, Eigenschappen en Toepassingen

Een bimetaal wordt gedefinieerd als een object dat bestaat uit twee aparte metalen die door een metallurgisch proces met elkaar verbonden zijn. In tegenstelling tot legeringen, die mengsels van twee of meer metalen zijn, bestaan bimetalen uit lagen verschillende metalen die hun individuele eigenschappen behouden. Bimetalen kunnen ook bimetalen producten of bicomponent materiaal worden genoemd.

Bimetalen worden gekenmerkt door twee duidelijk onderscheiden metalen zones van de oorspronkelijke metalen, die mechanisch en elektrisch als één eenheid functioneren. Het voordeel van bimetalen is de mogelijkheid om de beste eigenschappen van elk metaal binnen één enkel product volledig te benutten. Bijvoorbeeld, bimetalen kunnen de sterkte van het ene metaal combineren met de corrosiebestendigheid van het andere, of de geleidbaarheid van het ene metaal met de kosteneffectiviteit van het andere.

Bimetalen worden breed toegepast in diverse industrieën en toepassingen, zoals elektrische geleiders, elektrische contacten, thermostaten, thermometer, beschermingsapparatuur, klokken, munten, blikjes, snijbladen, en meer. In dit artikel zullen we de werkingsprincipe, veelvoorkomende combinaties en belangrijke toepassingen van bimetalen onderzoeken.

Hoe werken bimetalen?

Het werkingsprincipe van bimetalen is gebaseerd op het feit dat verschillende metalen verschillende coëfficiënten van lineaire thermische uitzetting (αL) hebben, wat betekent dat ze bij verhitting of afkoeling in verschillende mate uitzetten of samentrekken. De coëfficiënt van lineaire thermische uitzetting wordt gedefinieerd als de fractionele lengteverandering per temperatuurgraad.

Waarbij,

l is de initiële lengte van het object,

Δl is de lengteverandering,

Δt is de temperatuurverandering,

De eenheid van αL is per °C.

Een bimetaal bestaat uit twee stroken van twee verschillende metalen met verschillende coëfficiënten van lineaire thermische uitzetting, die langs de lengte aan elkaar gelast zijn. Een bimetaal bij normale temperatuur is getoond in de figuur hieronder.

Bij verhitting zijn de lengteveranderingen van beide metalenstroken verschillend. Dit veroorzaakt dat het bimetalen element buigt en een boog vormt, waarbij het metaal met de hogere coëfficiënt van lineaire thermische uitzetting aan de buitenkant van de boog komt te liggen, en het metaal met de lagere coëfficiënt aan de binnenkant, zoals getoond in de figuur hieronder.

Bij afkoeling buigt het bimetalen element en vormt een boog, waarbij het metaal met de lagere coëfficiënt van lineaire thermische uitzetting aan de buitenkant van de boog komt te liggen, en het metaal met de hogere coëfficiënt aan de binnenkant, zoals getoond in de figuur hieronder.

Dit fenomeen kan gebruikt worden om een nuttig apparaat te maken voor het detecteren en meten van temperatuurveranderingen.

Welke combinaties worden vaak gebruikt voor het maken van bimetalen?

Veel combinaties van metalen met verschillende coëfficiënten van lineaire thermische uitzetting kunnen gebruikt worden om bimetalen te vormen. Enkele van de meest gebruikte combinaties voor het maken van bimetalen stroken zijn hieronder vermeld:

• IJzer (hoog αL) en nikkel (laag αL)

• Messing (hoog αL) en staal (laag αL)

• Koper (hoog αL) en ijzer (laag αL)

• Constantan (hoog αL) en Invar (laag αL)

Wat zijn enkele belangrijke toepassingen van bimetalen?

Bimetalen hebben veel toepassingen in verschillende velden. Enkele hiervan zijn hieronder vermeld:

Thermostaten

Bimetalen zijn zeer nuttig voor het maken van thermostaten voor automatisch schakelen van circuits om de temperatuur van bepaalde apparaten, zoals elektrische verwarmingsapparaten, strijkijzers, koelkasten, elektrische ovens, enz., te regelen. In sommige circuits produceert de stroom zelf warmte voor het functioneren van de thermostat.

Een typische bimetalen thermostat voor deze toepassing is getoond in de figuur hieronder:

Bij het gebruik als thermostat is één eind van het bimetaal vastgemaakt en verbonden met de voeding. Het andere eind is vrij om te bewegen. Een elektrisch contact is bevestigd aan het vrije eind van het bimetaal, dat mee beweegt met de uitzetting en buiging.

Bij normale temperatuur maakt dit bewegende contact contact met een vast contact, zoals getoond in de figuur hierboven. Bij verhitting buigt de bimetalen strip en verbreekt het contact met het vaste contact, zoals getoond in de figuur hieronder. Dit opent of sluit een circuit, afhankelijk van de ontwerp.

Als het weer afkoelt naar de normale temperatuur, keert het bimetaal