Bimetais: Definição Propriedades e Aplicações
A bimetal é definido como um objeto composto por dois metais separados unidos por um processo metalúrgico. Diferentemente das ligas, que são misturas de dois ou mais metais, os bimetais consistem em camadas de diferentes metais que mantêm suas características individuais. Os bimetais também podem ser chamados de produtos bimetálicos ou materiais bicompósitos.
Os bimetais são caracterizados por duas zonas metálicas distintas dos metais originais, que funcionam mecanica e eletricamente como uma única unidade. A vantagem dos bimetais é a capacidade de aproveitar plenamente as melhores qualidades de cada metal em um único produto. Por exemplo, os bimetais podem combinar a resistência de um metal com a resistência à corrosão de outro, ou a condutividade de um metal com a economia de outro.
Os bimetais são amplamente utilizados em várias indústrias e aplicações, como condutores elétricos, contatos elétricos, termostatos, termômetros, dispositivos de proteção, relógios, moedas, latas, lâminas e muito mais. Neste artigo, exploraremos o princípio de funcionamento, as combinações comuns e as principais aplicações dos bimetais.
Como os bimetais funcionam?
O princípio de funcionamento dos bimetais baseia-se no fato de que diferentes metais possuem diferentes coeficientes de expansão térmica linear (αL), o que significa que expandem ou contraem a taxas diferentes quando aquecidos ou resfriados. O coeficiente de expansão térmica linear é definido como a variação fracionária no comprimento por grau de variação na temperatura.
Onde,
l é o comprimento inicial do objeto,
Δl é a variação no comprimento,
Δt é a variação na temperatura,
A unidade de αL é por °C.
Um bimetal consiste em duas tiras de dois metais diferentes com diferentes coeficientes de expansão térmica linear, soldadas juntas ao longo do comprimento. Um bimetal em temperatura normal é mostrado na figura abaixo.
Quando aquecido, as expansões no comprimento de ambas as tiras metálicas são diferentes. Isso faz com que o elemento bimetálico se curve e forme um arco de tal forma que o metal com o coeficiente de expansão térmica linear mais alto esteja no lado externo do arco, e o metal com o coeficiente de expansão térmica linear mais baixo esteja no lado interno do arco, conforme mostrado na figura abaixo.
Quando resfriado, o elemento bimetálico se curva e forma um arco de tal forma que o metal com o coeficiente de expansão térmica linear mais baixo está no lado externo do arco, e o metal com o coeficiente de expansão térmica linear mais alto está no lado interno do arco, conforme mostrado na figura abaixo.
O fenômeno acima pode ser utilizado para produzir um dispositivo útil para detectar e medir mudanças na temperatura.
Quais são algumas combinações comuns para a fabricação de bimetais?
Muitas combinações de metais com diferentes coeficientes de expansão térmica linear podem ser usadas para formar bimetais. Algumas das combinações comumente usadas para a fabricação de tiras bimetálicas são listadas abaixo:
Ferro (alto αL) e níquel (baixo αL)
Latão (alto αL) e aço (baixo αL)
Cobre (alto αL) e ferro (baixo αL)
Constantan (alto αL) e Invar (baixo αL)
Quais são algumas aplicações principais dos bimetais?
Os bimetais têm muitas aplicações em diversos campos. Algumas delas são listadas abaixo:
Termostatos
Os bimetais são muito úteis para a fabricação de termostatos para o acionamento automático de circuitos para controlar a temperatura de certos aparelhos, como aquecedores elétricos, ferros elétricos, refrigeradores, fornos elétricos, etc. Em alguns circuitos, a corrente passada pelo termostato em si produz calor para sua operação.
Um termostato bimetálico típico para esta operação é mostrado na figura abaixo:
No funcionamento como termostato, uma extremidade do bimetal é fixa e conectada à fonte de alimentação. A outra extremidade é livre para se mover. Um contato elétrico é anexado à extremidade livre do bimetal, que se move com sua expansão e curvatura.
Na temperatura normal, este contato móvel faz contato com um contato fixo, conforme mostrado na figura acima. Quando aquecido, esta tira bimetálica se curva e se desconecta do contato fixo, conforme mostrado na figura abaixo. Isso abre ou fecha um circuito dependendo de seu design.
Quando esfriado novamente até a temperatura normal, o bimetal retorna à sua forma original e fecha ou abre um circuito dependendo de seu design.
