Bimetaller: Definisjon egenskaper og anvendelser

En bimetal er definert som et objekt som består av to separate metaller forbundet sammen ved en metallurgisk prosess. I motsetning til legeringer, som er blanding av to eller flere metaller, består bimetaller av lag av forskjellige metaller som beholder sine individuelle egenskaper. Bimetaller kan også kalles bimetaliske produkter eller bikomponentmaterialer.

Bimetaller karakteriseres ved to distinkte metalliske soner av de foreldre metallene, som fungerer mekanisk og elektrisk som ett enhetlig produkt. Fordelen med bimetaller er muligheten til å utnytte de beste kvalitetene av hvert metall i et enkelt produkt. For eksempel kan bimetaller kombinere styrken til ett metall med korrosjonssikkerheten til et annet, eller ledningskapasiteten til ett metall med kostnadseffektiviteten til et annet.

Bimetaller brukes vidt i ulike industri- og anvendelsesområder, som elektriske ledere, elektriske kontakter, termostater, termometer, beskyttende enheter, ur, mynter, konservbokser, kjedler, og mer. I denne artikkelen vil vi utforske arbeidsprinsippet, vanlige kombinasjoner, og viktige anvendelser av bimetaller.

Hvordan fungerer bimetaller?

Arbeidsprinsippet for bimetaller baserer seg på at forskjellige metaller har ulike koeffisienter for lineær termisk utvidelse (αL), noe som betyr at de utvider eller kontraherer seg med ulike hastigheter når de blir oppvarmet eller kjølt. Koeffisienten for lineær termisk utvidelse defineres som den fraksjonelle endringen i lengde per grad endring i temperatur.

Der,

l er den initielle lengden av objektet,

Δl er endringen i lengde,

Δt er endringen i temperatur,

Enheten for αL er per °C.

Et bimetal består av to striper av to forskjellige metaller med ulike koeffisienter for lineær termisk utvidelse, som er svart sammen langs lengden. Et bimetal ved normal temperatur vises i figuren nedenfor.

Når det blir oppvarmet, er utvidelsen i lengden av begge metallstriper forskjellig. Dette fører til at det bimetaliske elementet bøyer seg og danner en bue slik at metallmetallet med høyest koeffisient for lineær termisk utvidelse er på den ytre siden av bua, og metallmetallet med lavest koeffisient for lineær termisk utvidelse er på den indre siden av bua, som vist i figuren nedenfor.

Når det blir kjølt, bøyer det bimetaliske elementet seg og danner en bue slik at metallmetallet med lavest koeffisient for lineær termisk utvidelse er på den ytre siden av bua, og metallmetallet med høyest koeffisient for lineær termisk utvidelse er på den indre siden av bua, som vist i figuren nedenfor.

Denne fenomenet kan brukes til å produsere et nyttig instrument for å detektere og måle endringer i temperatur.

Hva er noen vanlige kombinasjoner for å lage bimetaller?

Mange kombinasjoner av metaller med ulike koeffisienter for lineær termisk utvidelse kan brukes til å danne bimetaller. Noen av de mest brukte kombinasjonene for å lage bimetaliske striper er oppført nedenfor:

• Jern (høy αL) og nikkel (lav αL)

• Messing (høy αL) og stål (lav αL)

• Kobber (høy αL) og jern (lav αL)

• Constantan (høy αL) og Invar (lav αL)

Hva er noen viktige anvendelser av bimetaller?

Bimetaller har mange anvendelser i ulike felt. Noen av disse er oppført nedenfor:

Termostater

Bimetaller er svært nyttige for å lage termostater for automatisk skruing av kretser for å kontrollere temperaturen på visse apparater som elektriske varmepanneler, strykejern, kjøleskap, elektriske ovner, osv. I noen kretser passerer strøm gjennom termostatet selv for å produsere varme for sin drift.

En typisk bimetalisk termostat for denne operasjonen vises i figuren nedenfor:

I drift som termostat er en ende av bimetallet fastgjort og koblet til strømforsyningen. Den andre enden er fri til å bevege seg. En elektrisk kontakt er festet til den frie enden av bimetallet, som beveger seg med dens utvidelse og bøyning.

Ved normal temperatur gir denne bevegelige kontakten kontakt med en fast kontakt, som vist i figuren over. Når det blir oppvarmet, bøyer dette bimetaliske stripet seg og fraskiller seg fra den faste kontakten, som vist i figuren nedenfor. Dette åpner eller lukker en krets avhengig av designet.

Når det blir kjølt ned til normal temperatur igjen, returnerer bimetallet til sin opp