Биметаллическая полоса

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален.
Найти источники: «Биметаллическая полоса» - новости · газеты · книги · ученый · JSTOR ( февраль 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

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

Биметаллическая катушка термометра реагирует на тепло от зажигалки, разматывая ее, а затем снова свертывая, когда зажигалка снимается.

Биметаллическая полоса используется для преобразования изменения температуры в механическое перемещение. 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 . Различное расширение заставляет плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагревании и в противоположном направлении при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения находится на внешней стороне кривой при нагревании полосы и на внутренней стороне при охлаждении.

Изобретение биметаллической ленты обычно приписывают Джону Харрисону , часовщику восемнадцатого века, который сделал ее для своего третьего морского хронометра (H3) 1759 года, чтобы компенсировать вызванные температурой изменения в пружине баланса . ^[1] Изобретение Харрисона признано в мемориале ему в Вестминстерском аббатстве , Англия.

Этот эффект используется в ряде механических и электрических устройств.

Характеристики [ править ]

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 по всей длине с помощью клепки , пайки или сварки . Различное расширение заставляет плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагревании и в противоположном направлении при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения.находится на внешней стороне кривой при нагревании полосы и на внутренней стороне при охлаждении. Боковое смещение полосы намного больше, чем небольшое продольное расширение любого из двух металлов.

В некоторых приложениях биметаллическая полоса используется в плоской форме. В других для компактности он завернут в катушку. Большая длина спиральной версии дает улучшенную чувствительность.

Кривизны биметаллического пучка может быть описан следующим уравнением:

{\ displaystyle \ kappa = {\ frac {6E_ {1} E_ {2} (h_ {1} + h_ {2}) h_ {1} h_ {2} \ epsilon} {E_ {1} ^ {2} h_ {1} ^ {4} + 4E_ {1} E_ {2} h_ {1} ^ {3} h_ {2} + 6E_ {1} E_ {2} h_ {1} ^ {2} h_ {2} ^ {2} + 4E_ {1} E_ {2} h_ {2} ^ {3} h_ {1} + E_ {2} ^ {2} h_ {2} ^ {4}}}}

где и - радиус кривизны, и - модуль Юнга и высота (толщина) материала один, и - модуль Юнга и высота (толщина) материала два. деформация несоответствия, рассчитанная по формуле: ${\ displaystyle \ kappa = 1 / R}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle E_ {1}}$ ${\ displaystyle h_ {1}}$ ${\ displaystyle E_ {2}}$ ${\ displaystyle h_ {2}}$ ${\ displaystyle \ epsilon}$

{\ displaystyle \ epsilon = (\ alpha _ {1} - \ alpha _ {2}) \ Delta T \,}

где α ₁ - коэффициент теплового расширения материала один, а α ₂ - коэффициент теплового расширения материала два. ΔT - текущая температура минус эталонная температура (температура, при которой балка не изгибается). ^[2]^[3]

Вывод радиуса кривизны

Пусть слой на вогнутой стороне будет слоем 1, а на выпуклой стороне будет слоем 2, и пусть толщины каждого будут равны и соответственно. Слой 1 находится в напряжении с силой, направленной наружу на каждом конце , в то время как слой 2 сжимается с силой внутрь на каждом конце . Потому что система находится в равновесии . ${\ displaystyle h_ {1}}$ ${\ displaystyle h_ {2}}$ ${\ displaystyle F_ {1}}$ ${\ displaystyle F_ {2}}$ ${\ Displaystyle F_ {1} = F_ {2} = F}$

На каждом конце слоя 1 есть изгибающий момент , и аналогично для слоя 2. Если - радиус кривизны, то и где - жесткость при изгибе , - модуль Юнга и - Второй момент площади . Для прямоугольного сечения шириной , а . Пара производится силами , действующими вдоль середины линии каждого слоя и разделенных это , и снова , потому что полоса находится в равновесии и не существует никаких внешних прикладных крутящие моменты, . Следовательно ${\ displaystyle M_ {1}}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle M_ {1} = E_ {1} I_ {1} / R}$ ${\ displaystyle M_ {2} = E_ {2} I_ {2} / R}$ ${\ displaystyle EI}$ ${\ displaystyle E}$ ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle w}$ $I_{1}=wh_{1}^{3}/12$ $I_{2}=wh_{2}^{3}/12$ $F$ $h_{1}/2+h_{2}/2=h/2$ $Fh/2$ $Fh/2=M_{1}+M_{2}$

{\frac {Fh}{2}}={\frac {w}{12R}}(E_{1}h_{1}^{3}+E_{2}h_{2}^{3})

.

Теперь рассмотрим поверхность контакта между двумя слоями. Длина этой поверхности для слоя 1 равна, где - температура, при которой полоса является прямой, - длина слоя, когда температура (т. Е. Когда он прямой и не испытывает напряжения со стороны слоя 2), и - коэффициент теплового расширение (частичное увеличение длины на единицу увеличения температуры). Второй член здесь явно представляет собой частичное изменение длины, вызванное тепловым расширением, третий член - это деформация, вызванная напряжением из-за силы $L_{0}(1+\alpha _{1}(T-T_{0})+F_{1}/wh_{1}E_{1}+h_{1}/2R)$ $T_{0}$ $L_{0}$ $T=T_{0}$ $\alpha _{1}$ $F_{1}/wh_{1}$ $F_{1}$ действующий по площади конца (положительный, потому что сила растягивающая). Последний член представляет собой дополнительную длину контактной поверхности относительно средней линии слоя 1 (положительный, поскольку контактная поверхность является внешней выпуклой поверхностью). Точно так же длина этой поверхности для слоя 2 равна (знаки минус, потому что сила сжимающая, а контакт находится на внутренней поверхности). Поскольку поверхности склеены, $L_{0}(1+\alpha _{2}(T-T_{0})-F_{2}/wh_{2}E_{2}-h_{2}/2R)$

\alpha _{1}(T-T_{0})+{\frac {F}{wh_{1}E_{1}}}+{\frac {h_{1}}{2R}}=\alpha _{2}(T-T_{0})-{\frac {F}{wh_{2}E_{2}}}-{\frac {h_{2}}{2R}}

.

Преобразование для извлечения , сбор терминов и исключение с использованием приведенного выше уравнения дает уравнение для основной статьи. $\kappa =1/R$ $F$ $\kappa$

Понимание может быть получено, если только что данный результат умножить сверху и снизу на $(h_{1}+h_{2})/E_{1}E_{2}h_{1}^{2}h_{2}^{2}$

\kappa ={\frac {6(r_{h}+2+r_{h}^{-1})}{r_{E}r_{h}^{2}+4r_{h}+6+4r_{h}^{-1}+r_{E}^{-1}r_{h}^{-2}}}{\frac {\epsilon }{h}}

где , и . Поскольку для малого , которое нечувствительно к из-за отсутствия членов первого порядка, то мы можем приближаться для близких к единице (и нечувствительных к ) и для близких к единице (и нечувствительных к ). Таким образом, если или очень далеки от единицы, мы можем приблизиться . $h=h_{1}+h_{2}$ $r_{h}=h_{1}/h_{2}$ $r_{E}=E_{1}/E_{2}$ $(1+x)+(1+x)^{-1}\approx 2+O(x^{2})$ $x$ $x$ $r_{h}+r_{h}^{-1}\approx 2$ $r_{h}$ $r_{h}$ $r_{E}r_{h}^{2}+r_{E}^{-1}r_{h}^{-2}\approx 2$ $r_{E}r_{h}^{2}$ $r_{E}r_{h}^{2}$ $r_{h}$ $r_{E}$ $\kappa \approx 3\epsilon /2h$

История [ править ]

Мемориал Джона Харрисона в Вестминстерском аббатстве, Лондон

Самая ранняя из сохранившихся биметаллических полос была изготовлена часовщиком восемнадцатого века Джоном Харрисоном, которому обычно приписывают ее изобретение. Он сделал это для своего третьего морского хронометра (H3) 1759 года, чтобы компенсировать вызванные температурой изменения пружины баланса . ^[4] Его не следует путать с биметаллическим механизмом коррекции теплового расширения в его решетчатом маятнике . 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 такого типа была прикреплена к его последнему хронометристу H5. Изобретение Харрисона признано в мемориале ему вВестминстерское аббатство , Англия.

Приложения [ править ]

Этот эффект используется в ряде механических и электрических устройств.

Часы [ править ]

Механические механизмы часов чувствительны к изменениям температуры, поскольку каждая деталь имеет крошечный допуск, что приводит к ошибкам в отсчете времени. Биметаллическая полоса используется для компенсации этого явления в механизме некоторых часов. Самый распространенный метод - использовать биметаллическую конструкцию для круглого обода балансового колеса . Что он делает, так это перемещает груз в радиальном направлении, смотря на круговую плоскость вниз рядом с колесом баланса, изменяя затем момент инерции колеса баланса. Поскольку пружина, управляющая балансом, становится слабее с повышением температуры, баланс становится меньше в диаметре, чтобы уменьшить момент инерции и сохранить период колебаний (и, следовательно, хронометраж) постоянным.

В настоящее время эта система больше не используется из-за появления сплавов с низким температурным коэффициентом, таких как ниварокс , парахром и многих других, в зависимости от каждой марки.

Термостаты [ править ]

Термостат с биметаллической спиралью на (2)

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

В некоторых термостатах используется ртутный переключатель, подключенный к обоим электрическим выводам. Угол всего механизма регулируется для управления уставкой термостата.

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

Электрические контакты могут управлять мощностью напрямую (как в бытовом утюге) или косвенно, переключая электрическую мощность через реле или подачу природного газа или мазута через клапан с электрическим приводом. В некоторых обогревателях, работающих на природном газе, питание может подаваться с помощью термопары, которая нагревается от контрольной лампы (небольшого непрерывно горящего пламени). В устройствах без запальных ламп для розжига (как в большинстве современных газовых сушилок для одежды, некоторых газовых обогревателях и декоративных каминах) питание контактов обеспечивается уменьшенной бытовой электрической мощностью, которая управляет реле, управляющим электронным зажигающим устройством, либо резистивным нагревателем, либо искрообразователь с электрическим приводом .

Термометры [ править ]

В термометре с прямой индикацией , часто встречающемся в бытовых устройствах (например, термометре для террасы или термометре для мяса), используется биметаллическая полоса, намотанная на катушку в ее наиболее распространенной конструкции. Катушка превращает линейное движение расширения металла в круговое движение благодаря геликоидальной форме, которую она рисует. Один конец катушки прикреплен к корпусу устройства в качестве точки фиксации, а другой приводит в движение указательную стрелку внутри круглого индикатора. Биметаллическая полоска также используется в регистрирующем термометре . Термометр Breguet состоит из трехметаллической спирали для получения более точного результата.

Тепловой двигатель [ править ]

Тепловые двигатели не самые эффективные, а при использовании биметаллических лент КПД тепловых двигателей еще ниже, так как нет камеры для хранения тепла. Кроме того, биметаллические полосы не могут обеспечить прочность при перемещении, причина в том, что для достижения разумных изгибов (перемещений) обе металлические полосы должны быть тонкими, чтобы разница между расширением была заметной. Таким образом, металлические полосы в тепловых двигателях используются в основном в простых игрушках, которые были созданы, чтобы продемонстрировать, как этот принцип может использоваться для управления тепловым двигателем . ^{[ необходима цитата ]}

Электрические устройства [ править ]

Биметаллические полоски используются в автоматических выключателях для защиты цепей от избыточного тока. Катушка с проволокой используется для нагрева биметаллической ленты, которая изгибается и приводит в действие рычажный механизм, размыкающий пружинный контакт. Это прерывает цепь и может быть сброшено, когда биметаллическая полоса остынет.

Биметаллические полосы также используются в реле задержки времени, предохранительных клапанах газовых духовок , тепловых мигалках для старых сигнальных ламп поворота и пускателях люминесцентных ламп . В некоторых устройствах тока, протекающего непосредственно через биметаллическую ленту, достаточно для ее нагрева и непосредственного срабатывания контактов. Он также использовался в механических регуляторах напряжения PWM для автомобильных применений. ^[5]

См. Также [ править ]

Термовыключатель

Ссылки [ править ]

Статья журнала Hodinkee о компенсации балансового колеса при изменении температуры
Статья журнала Monochrome о спирали, используемой в часах

Примечания [ править ]

^ Собела, Дав (1995). Долгота . Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ISBN 0-00-721446-4. Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3 ... называется ... биметаллической полосой.
^ Clyne, TW. «Остаточные напряжения в поверхностных покрытиях и их влияние на межфазное нарушение сцепления». Ключевые инженерные материалы (Швейцария). Vol. 116–117, с. 307–330. 1996 г.
^ Тимошенко, J. Опт. Soc. Являюсь. 11, 233 (1925)
^ Собела, Дав (1995). Долгота . Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ISBN 0-00-721446-4. Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3 ... называется ... биметаллической полосой.
^ https://www.minimania.com/Smiths_Voltage_Stabilizers

Внешние ссылки [ править ]

Видео круглого биметаллического провода, приводящего в действие небольшой двигатель с ледяной водой . По состоянию на февраль 2011 г.
Видео двигателя с биметаллической катушкой (среди прочих, таких как Кюри, Стирлинг и Герой)

[1] Собела, Дав (1995). Долгота . Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ISBN 0-00-721446-4. Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3 ... называется ... биметаллической полосой.

[2] Clyne, TW. «Остаточные напряжения в поверхностных покрытиях и их влияние на межфазное нарушение сцепления». Ключевые инженерные материалы (Швейцария). Vol. 116–117, с. 307–330. 1996 г.

[3] Тимошенко, J. Опт. Soc. Являюсь. 11, 233 (1925)

[4] Собела, Дав (1995). Долгота . Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ISBN 0-00-721446-4. Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3 ... называется ... биметаллической полосой.

[5] ttps://www.minimania.com/Smiths_Voltage_Stabilizers

[1]