Què és la franja bimetàl·lica: construcció i els seus tipus

Tots els materials metàl·lics de l’univers tenen propietats pròpies com ara propietats elèctriques, mecàniques, magnètiques, químiques, tèrmiques i òptiques. En aquest article s’explica una franja bimetàl·lica basada en la propietat d’expansió tèrmica. Normalment s’observa en aplicacions com una caixa de ferro, escalfadors, bullidors, etc. Es converteix una tira bimetàl·lica energia tèrmica en desplaçament mecànic.

Què és la franja bimetàl·lica?

Definició: Una cinta bimetàl·lica funciona sobre el principi d’expansió tèrmica, que es defineix com el canvi de volum de metall amb el canvi de temperatura. La cinta bimetàl·lica treballa sobre dos fonaments bàsics dels metalls.

• El primer fonamental és l’expansió tèrmica, que afirma que els metalls s’expandeixen o es contrauen en funció de la variació de la temperatura
• El segon fonamental és el coeficient de temperatura, on cada metall (que té el seu propi coeficient de temperatura) s’expandeix o es contrau de manera diferent a una temperatura constant.

Propietats de la franja bimetàl·lica

Algunes de les propietats importants de la franja bimetàl·lica són

• Coeficient d’expansió: es defineix com un canvi en la propietat física d’un metall en resposta al canvi de temperatures com la forma, l’àrea i el volum.
• Mòduls d’elasticitat: es defineix com la proporció d’esforç a deformació en una regió de deformació elàstica.
• Límit elàstic de refredament: és el límit estàndard en què el metall torna al seu estat normal en refredar-se. Aquesta propietat varia d'un metall a un altre.
• Conductivitat elèctrica: es defineix com la quantitat de corrent que passa pel material.
• Ductilitat
• Capacitat metal·lúrgica.

Construcció de franja bimetàl·lica

Una banda bimetàl·lica es forma en unir dues tires fines de metalls generalment d’acer (12 * 10^-6A^-1) i llautó (18,7 * 10^-6A^-1), o coure (16,6 * 10^-6A^-1), on es fixa un extrem d’aquests metalls soldant-los i l’altre extrem queda lliure. En aplicar temperatura a aquests materials, començaran a canviar el seu estat físic ja sigui expandint-se o deformant-se.

Construcció

Es pot explicar en els dos casos següents,

Cas (i): Quan la temperatura augmenta, permet que la tira s’expandeixi cap al metall amb un valor de coeficient de temperatura inferior, que es pot observar a la figura següent.

Tira fixa en un extrem

Cases (ii): Quan la temperatura disminueix, permet que la tira s’expandeixi cap al metall amb un valor més alt del coeficient de temperatura, com es mostra a continuació.

Desviació de la franja bimetàl·lica

A partir d 'això, podem entendre que

Rang de deflexió = metall utilitzat

Desviació del metall = (longitud de la banda + variació de temperatura) / gruix de la banda

Representació matemàtica

Penseu en dos metalls com A i B a dues temperatures diferents 'T1' i 'T2'. El radi de la curvatura de la franja bimetàl·lica es pot determinar matemàticament a partir de l’equació següent.

R = t {3 (1 + m)²+ (1 + m * n) [m²+ 1 / m * n]} / 6 (α ‘_A- α ‘_B) (T₂-T₁) (1 + m)²...... 1

On,

R = radi de curvatura a la temperatura 'T2'

t = (t1 + t2) = suma del gruix de la tira bimetàl·lica

n = E_A/ ÉS_B = proporció d’elasticitat de dos metalls

m = t1 / t2 = (Gruix inferior - expansió del metall) / (major gruix - expansió del metall)

un '_A, un '_B = Coeficient tèrmic d’expansió del metall A i B

T₁ = temperatura inicial

T₂ = Temperatura final.

L’equació de la banda metàl·lica que doblega cap al metall amb un coeficient de baixa temperatura es dóna com a

r = 2 t / [6 * (α_A- α_B) (T₂-T₁)] ............... (2)

En un món pràctic, la proporció d’elasticitat dels mòduls de metalls i el seu gruix s’ha de mantenir igual perquè el metall recuperi la seva posició normal quan canviï la temperatura aplicada. Si el gruix del metall és t / 2, llavors

[r + (t / 2)] / r = Longitud ampliada de la banda expandida A / Longitud expandida de la banda expandida B

= L [1 + α_A(T₂-T₁)] / L [1 + α_B(T₂-T₁)]

= t / 2 [[1 + α_B(T₂-T₁)] / [(a_A- α_B) (T₂-T₁)]]

r = t / [2 α_A(T₂-T₁)] ............ .. (3)

A partir de l’equació anterior, podem concloure que si un extrem de la banda metàl·lica està fixat, l’altre extrem de la banda s’expandeix o es contrau a temperatures variables. Aquest tipus de principis s’observen generalment en termòmetres de baixa sensibilitat.

Tipus de tires bimetàl·liques

Les tires bimetàl·liques estan disponibles en dos tipus, sí

Tipus de tira espiral

Consisteix en una estructura en forma d’espiral i s’hi uneix un punter que s’utilitza per escalar la temperatura. Quan aquesta estructura de molla s’escalfa, els metalls presenten una propietat d’expansió tèrmica i es deformen quan cau la temperatura. En aquesta etapa, el punter registra la temperatura a l’escala. Aquest tipus de termòmetres s’utilitzen generalment per registrar la temperatura ambiental.

Tipus de tira espiral

Tipus helicoïdal

Consisteix en una estructura helicoïdal el funcionament del qual és similar a la franja bimetàl·lica. On l'extrem lliure de la tira està connectat a un punter. Sempre que s’escalfa la tira, experimenta una propietat d’expansió tèrmica i es contrau en refredar-se. En aquesta etapa, el punter registra la lectura de temperatura. Normalment, aquest tipus de termòmetres s’utilitzen en aplicacions industrials.

Tipus helicoïdal

Avantatges

A continuació es detallen els avantatges de la cinta bimetàl·lica

• No es necessita cap font d'alimentació externa
• Ús senzill i robust
• Menys cost
• Ofereix una precisió entre el ± 2 i el 5%

Desavantatges

Els següents són els desavantatges de la franja bimetàl·lica

• Poden mesurar fins a 4000 C
• Hi haurà un canvi en la qualitat del metall en un ús habitual que pot provocar un error en mesurar.
• A baixa temperatura, la sensibilitat i la precisió no són al màxim.

Aplicacions de la franja bimetàl·lica

Les següents són les aplicacions de la tira bimetàl·lica

• Rellotges
• Termistor
• Caixa de ferro
• Motor tèrmic
• Escalfadors

Preguntes freqüents

1). Quins dispositius utilitzen una tira bimetàl·lica?

Una cinta bimetàl·lica s’utilitza en dispositius com una alarma d’incendi, ventiladors, etc.

2). Què passa quan s’escalfa una tira bimetàl·lica?

• Quan s’escalfa una tira bimetàl·lica, els metalls s’expandeixen o es deformen en funció de les seves propietats de coeficient tèrmic.
• Cas 1: amb l'augment de temperatura, la tira s'expandeix cap al metall amb el valor més baix del coeficient de temperatura, que es pot observar a la figura següent i
• Cas 2: quan la temperatura disminueix fa que la tira s’expandeixi cap al metall amb un valor més alt del coeficient de temperatura, com es mostra a continuació.

3). S'utilitza una tira bimetàl·lica en ventiladors?

Sí, s’utilitzen en ventiladors per convertir la temperatura en desplaçament mecànic.

4). Per què es doblegen les tires bimetàl·liques?

Les tires bimetàl·liques es doblegen a causa de la propietat d’expansió tèrmica del metall.

5). Es pot fer servir una tira bimetàl·lica de llautó i plata al termòstat?

No, no es pot utilitzar una tira bimetàl·lica de llautó i plata al termòstat. Atès que tenen una diferència insignificant en la seva propietat d’expansió tèrmica.

Per tant, tot això es tracta una visió general d’una tira bimetàl·lica que treballa en dos coeficients de dilatació tèrmica fonamentals i principals. Normalment és un dispositiu termòmetre que mesura la temperatura. Consta de dues tires metàl·liques diferents, on es solden ambdues i es fixa un dels seus extrems i es deixa lliure un altre extrem. Aquests metalls s’expandeixen o es deformen a temperatures variables. Estan disponibles en dues formes helicoïdals i espirals. On el termòmetre de banda bimetàl·lica helicoïdal s’utilitza en zones industrials i el termòmetre bimetàl·lic en espiral s’utilitza en zones menys sensibles. El principal avantatge és que proporciona una precisió entre el ± 2 i el 5%. Aquí teniu una pregunta, quina és la funció de la tira bimetàl·lica?