Биметаллическая полоса

Двусторонняя полоса, скручивающаяся при нагревании или охлаждении.

Схема биметаллической полосы, показывающая, как разница в тепловом расширении двух металлов приводит к гораздо большему боковому смещению полосы.

Биметаллическая спираль термостата реагирует на тепло от зажигалки, раскручиваясь и снова скручиваясь, когда зажигалку убирают.

Биметаллическая полоса или биметаллическая полоса — это полоса, состоящая из двух полос разных металлов, которые расширяются с разной скоростью при нагревании. Они используются для преобразования изменения температуры в механическое смещение. Разные расширения заставляют плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагревании и в противоположную сторону при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения находится на внешней стороне кривой, когда полоса нагревается, и на внутренней стороне при охлаждении.

Изобретение биметаллической полоски обычно приписывают Джону Гаррисону , часовщику восемнадцатого века , который изготовил ее для своего третьего морского хронометра (H3) 1759 года, чтобы компенсировать изменения балансовой пружины, вызванные температурой . ^[1] Изобретение Гаррисона отмечено в мемориале ему в Вестминстерском аббатстве , Англия.

Характеристики

Полоса состоит из двух полос из разных металлов, которые расширяются с разной скоростью при нагревании, обычно из стали и меди , или в некоторых случаях из стали и латуни . Полосы соединяются вместе по всей длине с помощью клепки , пайки или сварки . Разные расширения заставляют плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагревании и в противоположную сторону при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения находится на внешней стороне кривой, когда полоса нагревается, и на внутренней стороне при охлаждении. Боковое смещение полосы намного больше, чем небольшое продольное расширение в любом из двух металлов.

В некоторых приложениях биметаллическая полоса используется в плоской форме. В других случаях она свернута в катушку для компактности. Большая длина свернутой версии обеспечивает улучшенную чувствительность.

Радиус кривизны биметаллической полосы зависит от температуры согласно формуле, выведенной французским физиком Ивоном Вилларсо в 1863 году в ходе его исследований по повышению точности часов: ^[2] ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle T}$

${\displaystyle {\frac {1}{R}}-{\frac {1}{R_{0}}}={\frac {3}{2a}}{\frac {(\alpha _{2}-\alpha _{1})(T-T_{0})}{h}}={\frac {3}{2a}}{\frac {\Delta \epsilon }{h}}}$,

где — общая толщина биметалла, — безразмерный коэффициент. Для каждой металлической полосы: — модуль Юнга, — коэффициент теплового расширения, — толщина. Формулу можно также переписать как функцию тепловой деформации несоответствия . А если модуль и высота подобны, то мы просто имеем . ${\displaystyle h=h_{1}+h_{2}}$ ${\displaystyle a=1+(E_{1}h_{1}^{2}-E_{2}h_{2}^{2})^{2}/(4\ E_{1}h_{1}\ E_{2}h_{2}\ h^{2})}$ ${\displaystyle E_{i}}$ ${\displaystyle \alpha _{i}}$ ${\displaystyle h_{i}}$ ${\displaystyle \Delta \epsilon =(\alpha _{2}-\alpha _{1})(T-T_{0})}$ ${\displaystyle a\simeq 1}$

Эквивалентную формулу можно вывести из теории балок . ^{[3] [4]}

История

Мемориал Джона Харрисона в Вестминстерском аббатстве, Лондон

Самая ранняя сохранившаяся биметаллическая полоса была сделана часовщиком восемнадцатого века Джоном Харрисоном , которому обычно приписывают ее изобретение. Он сделал ее для своего третьего морского хронометра (H3) 1759 года, чтобы компенсировать температурные изменения в пружине баланса . ^[5] Ее не следует путать с биметаллическим механизмом для коррекции теплового расширения в его маятнике с решеткой . Его самые ранние образцы имели две отдельные металлические полосы, соединенные заклепками, но он также изобрел более позднюю технику прямого наплавления расплавленной латуни на стальную основу. Полоса этого типа была установлена ​​на его последнем хронометре, H5. Изобретение Харрисона отмечено в мемориале ему в Вестминстерском аббатстве , Англия.

Состав

Металлы, входящие в состав биметаллической полосы, могут различаться по составу, если только их коэффициенты теплового расширения различаются. Металл с более низким коэффициентом теплового расширения иногда называют пассивным металлом, в то время как другой называют активным металлом. Медь, сталь, латунь, железо и никель являются обычно используемыми металлами в биметаллических полосах. ^[6] Металлические сплавы также использовались в биметаллических полосах, например, инвар и константан . Выбор материала оказывает значительное влияние на рабочий температурный диапазон биметаллической полосы, некоторые имеют температурный предел до 500 °C, а другие достигают только 150 °C перед разрушением. ^{[7] [8]}

Приложения

Этот эффект используется в ряде механических и электрических устройств.

Часы

Механизмы механических часов чувствительны к изменениям температуры, поскольку каждая часть имеет крошечный допуск, и это приводит к ошибкам в отсчете времени. Биметаллическая полоса используется для компенсации этого явления в механизме некоторых часов. Наиболее распространенным методом является использование биметаллической конструкции для круглого обода балансового колеса . Что он делает, так это перемещает груз в радиальном направлении, глядя на круглую плоскость вниз балансовым колесом, изменяя затем момент инерции балансового колеса. Поскольку пружина, управляющая балансом, становится слабее с ростом температуры, баланс становится меньше в диаметре, чтобы уменьшить момент инерции и сохранить период колебаний (и, следовательно, отсчет времени) постоянным.

В настоящее время эта система больше не используется в связи с появлением сплавов с низким температурным коэффициентом, таких как ниварокс , парахром и многих других в зависимости от марки.

Термостаты

Термостат с биметаллической катушкой (2)

При регулировании нагрева и охлаждения используются термостаты , работающие в широком диапазоне температур. В них один конец биметаллической полосы механически закреплен и присоединен к источнику электроэнергии, а другой (подвижный) конец несет электрический контакт. В регулируемых термостатах другой контакт позиционируется с помощью регулирующей ручки или рычага. Установленное таким образом положение контролирует регулируемую температуру, называемую заданным значением .

Некоторые термостаты используют ртутный переключатель, подключенный к обоим электрическим проводам. Угол всего механизма регулируется для управления заданным значением термостата.

В зависимости от области применения более высокая температура может размыкать контакт (как в управлении обогревателем ) или замыкать контакт (как в холодильнике или кондиционере ).

Электрические контакты могут управлять питанием напрямую (как в бытовом утюге) или косвенно, переключая электропитание через реле или подачу природного газа или мазута через электроуправляемый клапан. В некоторых газовых обогревателях питание может обеспечиваться термопарой , которая нагревается запальной лампой (небольшое, непрерывно горящее пламя). В устройствах без запальной лампы для зажигания (как в большинстве современных газовых сушилок для одежды и некоторых газовых обогревателях и декоративных каминах) питание для контактов обеспечивается пониженной бытовой электроэнергией, которая управляет реле, управляющим электронным зажигателем, либо резистивным нагревателем, либо электрическим искрообразующим устройством.

Термометры

Механический уличный термометр.

Прямой стрелочный термометр , распространенный в бытовых приборах (например, термометр для патио или термометр для мяса), в своей наиболее распространенной конструкции использует биметаллическую полосу, свернутую в спираль. Спираль изменяет линейное движение расширения металла на круговое движение благодаря винтовой форме, которую она рисует. Один конец спирали закреплен на корпусе устройства в качестве фиксированной точки, а другой приводит в движение указательную стрелку внутри круглого индикатора. Биметаллическая полоса также используется в записывающем термометре . Термометр Бреге состоит из триметаллической спирали для получения более точного результата.

Тепловой двигатель

Тепловые двигатели не являются самыми эффективными, а при использовании биметаллических полос эффективность теплового двигателя становится еще ниже, поскольку нет камеры для удержания тепла. Более того, биметаллические полосы не могут создавать силу в своих движениях, причина в том, что для достижения разумных изгибов (движений) обе металлические полосы должны быть тонкими, чтобы разница между расширением была заметной. Поэтому металлические полосы в тепловых двигателях в основном используются в простых игрушках, которые были построены для демонстрации того, как этот принцип может быть использован для управления тепловым двигателем . ^{[ требуется цитата ]}

Электрические устройства

Биметаллические полосы используются в миниатюрных автоматических выключателях для защиты цепей от избыточного тока. Катушка проволоки используется для нагрева биметаллической полосы, которая изгибается и приводит в действие тягу, которая разблокирует пружинный контакт. Это прерывает цепь и может быть сброшено, когда биметаллическая полоса остынет.

Биметаллические полосы также используются в реле времени, предохранительных клапанах газовых духовок , тепловых мигалках для старых указателей поворота и стартёрах люминесцентных ламп . В некоторых устройствах ток, проходящий непосредственно через биметаллическую полосу, достаточен для её нагрева и непосредственного управления контактами. Он также использовался в механических ШИМ-регуляторах напряжения для автомобильных применений. ^[9]

Смотрите также

• Термовыключатель времени

Ссылки

• Статья о компенсации колебаний балансира при изменении температуры в журнале Hodinkee
• Статья о пружине, используемой в часах, в журнале Monochrome

Примечания

1. Собель, Дава (1995). Долгота . Лондон: Fourth Estate. стр. 103. ISBN 0-00-721446-4. Одно из изобретений, представленных Харрисоном в H-3... называется... биметаллическая полоса.
2. Ивон Вилларсо, А.-Ж. (1863). Recherches sur le mouvement et la компенсации хронометров. Анналы императорской обсерватории Парижа, Том VII. п. 88.
3. Клайн, TW. «Остаточные напряжения в поверхностных покрытиях и их влияние на межфазное нарушение сцепления». Key Engineering Materials (Швейцария). Т. 116–117, стр. 307–330. 1996
4. Тимошенко, Ж. Опт. Соц. Являюсь. 11, 233 (1925)
5. Собель, Дава (1995). Долгота . Лондон: Fourth Estate. стр. 103. ISBN 0-00-721446-4. Одно из изобретений, представленных Харрисоном в H-3... называется... биметаллическая полоса.
6. Axsom, Tessa (2023-03-30). "The Bimetallic Strip Explained". Fictiv . Получено 2024-03-01 .
7. Михальски, Л.; Экерсдорф, К.; Кучарски, Яцек; МакГи, Дж. (2001). Измерение температуры, 2-е издание . Джон Вили и сыновья, ООО ISBN 0471867799.
8. Попл, Стивен (1987). Объясняя физику. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-914272-9.
9. «Стабилизаторы напряжения Смита — ПЕРЕСМОТРЕННОЕ».

Внешние ссылки

• Видео круглого биметаллического провода, питающего небольшой двигатель ледяной водой. Доступен в феврале 2011 г.
• Видеоролик о биметаллической катушке, приводящей в действие двигатель (среди прочих, таких как Кюри, Стирлинг и Герой)