Введение

Двусторонняя полоса, скручивающаяся при нагревании или охлаждении.

Биметаллическая полоса – это полоса, состоящая из двух полос разных металлов, которые расширяются с разной скоростью при нагревании. Она используется для преобразования изменения температуры в механическое перемещение. Различные коэффициенты расширения заставляют плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагревании и в противоположную – при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения находится на внешней стороне изгиба при нагревании и на внутренней стороне при охлаждении. Изобретение биметаллической полосы обычно приписывают Джону Харрисону, часовому мастеру XVIII века, который создал её для своего третьего морского хронометра (H3) 1759 года, чтобы компенсировать изменения температуры в спирали баланса. В Вестминстерском аббатстве (Англия) установлен мемориал в честь изобретения Харрисона.

История

Самая ранняя сохранившаяся биметаллическая полоса была изготовлена часовщиком XVIII века Джоном Харрисоном, которому обычно приписывают её изобретение. Он создал её для своего третьего морского хронометра (H3) 1759 года, чтобы компенсировать изменения температуры, влияющие на спираль баланса. Её не следует путать с биметаллическим механизмом, предназначенным для коррекции теплового расширения в его решётчатом маятнике. Первые образцы представляли собой две отдельные металлические полосы, соединенные заклепками, но он также изобрел более позднюю технологию непосредственного нанесения расплавленной латуни на стальную основу методом сплавления. Полоса такого типа была установлена в его последнем хронометре, H5. Изобретение Харрисона отмечено мемориалом в его честь в Вестминстерском аббатстве, Англия.

Состав

Металлы, используемые в биметаллической пластине, могут различаться по составу, пока их коэффициенты теплового расширения отличаются друг от друга. Металл с меньшим коэффициентом теплового расширения иногда называют пассивным металлом, а другой – активным металлом. Медь, сталь, латунь, железо и никель – обычно используемые металлы в биметаллических пластинах. В биметаллических пластинах также применялись металлические сплавы, такие как инвар и константан. Выбор материала существенно влияет на диапазон рабочих температур биметаллической пластины: одни выдерживают температуру до 500°C, а другие разрушаются уже при 150°C.

Приложения

Этот эффект применяется в широком спектре механических и электрических устройств.

Часы

Механические часовые механизмы чувствительны к изменениям температуры, так как каждая деталь имеет незначительные допуски, что приводит к погрешностям в точности хода. Для компенсации этого явления в механизмах некоторых часов используется биметаллическая пластина. Наиболее распространенный способ – применение биметаллической конструкции для обода балансового колеса. Она перемещает груз радиально относительно плоскости балансового колеса, изменяя момент инерции колеса. Поскольку управляющая пружина баланса ослабевает при повышении температуры, диаметр баланса уменьшается, чтобы снизить момент инерции и поддерживать постоянный период колебаний (а следовательно, и точность хода). В настоящее время эта система практически не используется, поскольку появились сплавы с низким температурным коэффициентом расширения, такие как ниварокс, парахром и многие другие, различающиеся в зависимости от производителя.

Термостаты

Для регулирования отопления и охлаждения используются термостаты, работающие в широком диапазоне температур. В них один конец биметаллической пластины механически закреплен и подключен к источнику электроэнергии, а другой (подвижный) конец несет электрический контакт. В регулируемых термостатах имеется еще один контакт, положение которого регулируется поворотной ручкой или рычагом. Установленное положение определяет регулируемую температуру, называемую уставкой. Некоторые термостаты используют ртутный выключатель, подключенный к обоим электрическим проводам. Угол наклона всего механизма регулируется для управления уставкой термостата. В зависимости от применения, повышение температуры может размыкать контакт (например, в системе управления нагревателем) или замыкать контакт (например, в холодильнике или кондиционере). Электрические контакты могут управлять питанием напрямую (например, в бытовом утюге) или косвенно, переключая электроэнергию через реле или регулируя подачу природного газа или мазута посредством электроуправляемого клапана. В некоторых газовых обогревателях питание обеспечивается термопарой, нагреваемой пилотной горелкой (небольшим, постоянно горящим пламенем). В устройствах, не использующих пилотную горелку для зажигания (как в большинстве современных газовых сушилок для белья и некоторых газовых обогревателях и декоративных каминах), питание контактов обеспечивается пониженным бытовым напряжением, которое управляет реле, контролирующим электронный воспламенитель – либо резистивный нагреватель, либо устройство для генерации электрической искры.

Термометры

Термометр с прямой индикацией, часто используемый в бытовых приборах (например, в уличных или мясных термометрах), в наиболее распространенной конструкции использует биметаллическую полосу, свернутую в спираль. Спираль преобразует линейное расширение металла в круговое движение благодаря своей спиральной форме. Один конец спирали закреплен на корпусе прибора в качестве неподвижной точки, а другой приводит в движение указательную стрелку внутри кругового индикатора. Биметаллическая полоса также применяется в регистрирующих термометрах. Термометр Бреге состоит из триметаллической спирали для достижения большей точности.

Тепловой двигатель

Тепловые двигатели не отличаются высокой эффективностью, а использование биметаллических пластин еще больше снижает ее, поскольку отсутствует камера для удержания тепла. Более того, биметаллические пластины не способны создавать значительное усилие при движении, так как для достижения заметных изгибов (перемещений) обе металлические полосы должны быть тонкими, чтобы разница в расширении была ощутимой. Поэтому биметаллические пластины в тепловых двигателях применяются преимущественно в простых игрушках, созданных для демонстрации принципа работы такого двигателя.

Электрические устройства

Биметаллические пластины используются в автоматических выключателях для защиты цепей от перегрузки по току. Катушка проволоки нагревает биметаллическую пластину, которая изгибается и приводит в действие механизм, размыкающий пружинный контакт. Это разрывает цепь, и выключатель можно вернуть в исходное состояние после остывания биметаллической пластины. Биметаллические пластины также применяются в реле с выдержкой времени, предохранительных клапанах газовых плит, тепловых переключателях для устаревших указателей поворота и стартерах люминесцентных ламп. В некоторых устройствах ток, протекающий непосредственно через биметаллическую пластину, достаточен для её нагрева и непосредственного управления контактами. Они также использовались в механических ШИМ-регуляторах напряжения для автомобильной техники.