Striscia bimetallica

Una striscia bimetallica viene utilizzata per convertire una variazione di temperatura in spostamento meccanico. La striscia è composta da due strisce di metalli diversi che si espandono a velocità diverse man mano che vengono riscaldate, generalmente acciaio e rame, o in alcuni casi acciaio e ottone. Le strisce sono unite per tutta la loro lunghezza mediante rivettatura, brasatura o saldatura. Le diverse espansioni costringono la striscia piatta a piegarsi in un modo se riscaldata e nella direzione opposta se raffreddata al di sotto della sua temperatura iniziale. Il metallo con il coefficiente di espansione termica più elevato si trova sul lato esterno della curva quando la striscia è riscaldata e sul lato interno quando è raffreddata.

Lo spostamento laterale della striscia è molto più grande della piccola espansione longitudinale in uno dei due metalli. Questo effetto è utilizzato in una gamma di dispositivi meccanici ed elettrici. In alcune applicazioni la striscia bimetallica viene utilizzata in forma piatta. In altri, è avvolto in una bobina per compattezza. La maggiore lunghezza della versione a spirale offre una migliore sensibilità.

Storia

La prima striscia bimetallica sopravvissuta fu realizzata dall'orologiaio del XVIII secolo John Harrison, a cui è generalmente attribuita la sua invenzione. Lo ha fatto per il suo terzo cronometro marino (H3) del 1759 per compensare i cambiamenti indotti dalla temperatura nella molla di equilibrio. Non deve essere confuso con il meccanismo bimetallico per correggere l'espansione termica nel suo pendolo a griglia. I suoi primi esempi avevano due singole strisce metalliche unite da rivetti, ma inventò anche la tecnica successiva di fusione diretta dell'ottone fuso su un substrato d'acciaio. Una striscia di questo tipo è stata montata sul suo ultimo cronometrista, H5. L'invenzione di Harrison è riconosciuta nel memoriale a lui nell'Abbazia di Westminster, in Inghilterra.

applicazioni

orologi

I meccanismi di orologio meccanico sono sensibili alle variazioni di temperatura in quanto ogni parte ha una tolleranza minima e porta a errori nel mantenimento del tempo. Una striscia bimetallica viene utilizzata per compensare questo fenomeno nel meccanismo di alcuni orologi. Il metodo più comune è utilizzare una costruzione bimetallica per il bordo circolare del bilanciere. Ciò che fa è spostare un peso in modo radiale guardando il piano circolare verso il basso dalla ruota del bilanciere, variando quindi il momento di inerzia della ruota del bilanciere. Man mano che la molla che controlla l'equilibrio si indebolisce con l'aumentare della temperatura, l'equilibrio si riduce di diametro per ridurre il momento di inerzia e mantenere costante il periodo di oscillazione (e quindi il cronometraggio).

Oggi questo sistema non viene più utilizzato dall'apparizione di leghe a basso coefficiente di temperatura come nivarox, parachrom e molti altri a seconda di ogni marchio.

termostato

Nella regolazione del riscaldamento e del raffreddamento, vengono utilizzati termostati che operano su un ampio intervallo di temperature. In questi, un'estremità della striscia bimetallica è fissata meccanicamente e fissata a una fonte di energia elettrica, mentre l'altra estremità (mobile) porta un contatto elettrico. Nei termostati regolabili un altro contatto è posizionato con una manopola o una leva di regolazione. La posizione così impostata controlla la temperatura regolata, denominata set point .

Alcuni termostati utilizzano un interruttore al mercurio collegato ad entrambi i cavi elettrici. L'angolo dell'intero meccanismo è regolabile per controllare il set point del termostato.

A seconda dell'applicazione, una temperatura più elevata può aprire un contatto (come in un controllo del riscaldatore) o può chiudere un contatto (come in un frigorifero o condizionatore d'aria).

I contatti elettrici possono controllare l'alimentazione direttamente (come in un ferro per uso domestico) o indirettamente, commutando energia elettrica attraverso un relè o la fornitura di gas naturale o olio combustibile attraverso una valvola azionata elettricamente. In alcuni riscaldatori a gas naturale la potenza può essere fornita con una termocoppia che viene riscaldata da una luce pilota (una piccola fiamma a combustione continua). Nei dispositivi senza luci pilota per l'accensione (come nella maggior parte dei moderni asciugabiancheria a gas e alcuni riscaldatori a gas naturale e caminetti decorativi) l'alimentazione per i contatti è fornita da una ridotta energia elettrica domestica che aziona un relè che controlla un accenditore elettronico, un riscaldatore a resistenza o un dispositivo di generazione di scintille alimentato elettricamente.

termometri

Un termometro a quadrante a indicazione diretta molto comune nei dispositivi di uso quotidiano (come un termometro da patio o un termometro per carne) utilizza una striscia bimetallica avvolta in una bobina nel suo design più utilizzato. La bobina trasforma il movimento lineare dell'espansione del metallo in un movimento circolare grazie alla forma elicoidale che disegna. Un'estremità della bobina è fissata all'alloggiamento del dispositivo come punto fisso e l'altra guida un ago di indicazione all'interno di un indicatore circolare. Una striscia bimetallica viene utilizzata anche in un termometro di registrazione. Il termometro di Breguet è costituito da un'elica tri-metallica per ottenere un risultato più accurato.

Motore termico

I motori termici non sono i più efficienti e con l'uso di strisce bimetalliche l'efficienza dei motori termici è ancora più bassa in quanto non vi è alcuna camera per contenere il calore. Inoltre, le strisce bimetalliche non possono produrre forza nelle sue mosse, il motivo per cui per ottenere ragionevoli flessioni (movimenti) entrambe le strisce metalliche devono essere sottili per rendere evidente la differenza tra l'espansione. Quindi gli usi per le strisce metalliche nei motori termici sono principalmente in semplici giocattoli che sono stati costruiti per dimostrare come il principio può essere usato per guidare un motore termico.

Dispositivi elettrici

Le strisce bimetalliche sono utilizzate negli interruttori automatici miniaturizzati per proteggere i circuiti dall'eccesso di corrente. Una bobina di filo viene utilizzata per riscaldare una striscia bimetallica, che si piega e aziona un collegamento che sblocca un contatto a molla. Ciò interrompe il circuito e può essere ripristinato quando la striscia bimetallica si è raffreddata.

Le strisce bimetalliche vengono utilizzate anche nei relè ritardanti, nei lampeggiatori delle lampade e negli avviatori delle lampade fluorescenti. In alcuni dispositivi, la corrente che attraversa direttamente la striscia bimetallica è sufficiente per riscaldarla e far funzionare i contatti direttamente.

calcoli

Curvatura di un raggio bimetallico:

κ = 6E1E2 (h1 + h2) h1h2ϵE12h14 + 4E1E2h13h2 + 6E1E2h12h22 + 4E1E2h23h1 + E22h24 {\ displaystyle \ kappa = {\ frac {6E_ {1} E_ {2} (h_ {1} + h {2} 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}}}} dove E1 {\ displaystyle E_ {1}} e h1 {\ displaystyle h_ {1}} sono il modulo e l'altezza (spessore) di Young di materiale uno ed E2 {\ displaystyle E_ { 2}} e h2 {\ displaystyle h_ {2}} sono il modulo di Young e l'altezza (spessore) del materiale due. ϵ {\ displaystyle \ epsilon} è la varietà inadatta, calcolata da: ϵ = (α1 − α2) ΔT {\ displaystyle \ epsilon = (\ alpha _ {1} - \ alpha _ {2}) \ Delta T \,} dove α1 è il coefficiente di dilatazione termica del materiale uno e α2 è il coefficiente di dilatazione termica del materiale due. ΔT è la temperatura corrente meno la temperatura di riferimento (la temperatura in cui il raggio non ha flessione).