Биметаллическая пластина

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Биметалли́ческая пласти́на — пластина, изготовленная из биметалла или из механически соединённых кусков двух различных металлов. Как правило, используется как основная часть термомеханического датчика.

Устройство[править | править вики-текст]

Если оба конца биметаллической пластины соединены заклёпками, при увеличении температуры пластина изгибается.

Представляет собой отрезок ленты из биметалла. Один конец ленты, как правило, неподвижно закреплён в устройстве, а другой — перемещается в зависимости от температуры пластины.

Встречаются устройства, состоящие из двух пластин разнородных металлов, закреплённых одними концами и соединённых (клёпкой, пайкой или сваркой) у других концов. При изменении температуры соединённый конец пластин перемещается.

Работоспособны в очень широком диапазоне температур[1].

Применение[править | править вики-текст]

Термостаты и защитные устройства[править | править вики-текст]

биметаллическая пластина, используемая в реле защиты электродвигателя

Изгибающаяся биметаллическая пластина управляет электрическими контактами, замыкающими или размыкающими цепь подогревателя. (В случае защитных устройств — отключающие электропитание нагрузки).

Могут сводить-разводить контакты постепенно (дешёвая ненадёжная конструкция — контакты искрят и обгорают), а могут срабатывать скачком (механическая бифуркация), сразу перемещая контакт на несколько миллиметров (щелчки от таких переключений слышны при работе утюгов).

Применяются как защитные устройства: для защиты от перегрева (например в электрочайнике) или от превышения силы тока (предохранители). могут быть как самовосстанавливающимися, так и требующими вмешательства персонала (предполагается, что персонал найдёт и устранит причину неполадки, и только потом вернёт предохранитель во включённое состояние).

Генераторы импульсов и реле времени[править | править вики-текст]

Биметаллическая пластина с контактом и с подогревателем (применяется обмотка из высокоомного провода либо сама пластина, по которой пропускают ток).

Применяется для переключения режимов работы устройств после их включения (например, в стартёрах люминесцентных ламп и электромоторов). В этом случае нагрев пластины продолжается всё время, пока устройство включено.

Измерительные приборы[править | править вики-текст]

Разновидность биметаллического термометра с подогревателем. В зависимости от способа включения может быть вольтметром или амперметром. При работе потребляет много энергии, однако совершенно не содержит трущихся механических частей. Просты, вибростойки, мало чувствительны к загрязнениям, как правило, самовосстанавливаются при отсыревании. До сих пор широко применяются в автомобильной электронике.

Часы[править | править вики-текст]

Применяются для термокомпенсации хода часов. Могут изменять диаметр разрезного обода баланса, сделанного из биметаллической пластины, либо изменять действующую длину пружины баланса.

Термометры[править | править вики-текст]

Схема биметаллического термометра

Длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.

В термографах биметаллическая пластина через систему рычагов управляет пером самописца, рисующим график изменения температуры (применяется в метеорологии).

Тепловые двигатели[править | править вики-текст]

Преобразование разности температур в механическую работу. Существуют простые игрушки для демонстрации возможности работы таких двигателей[2].

Устройства для микроперемещений[править | править вики-текст]

Предметы (типа «препарата», рассматриваемого в микроскоп) с помощью биметаллических пластин с подогревателями можно перемещать в небольших пределах. Величина перемещения регулируется дистанционно изменением тока через подогреватели.

Недостаток: величина перемещения непостоянна и зависит от условий охлаждения (окружающей температуры, сквозняков и т. п.)

В судостроении[править | править вики-текст]

Биметаллические (а также триметаллические) пластины используются для сварки разнородных металлов в целях предотвращения контактной (гальванической) коррозии. В судостроении применяются как для стыковки алюминиевой надстройки со стальным корпусом, так и для соединения декоративных элементов из нержавеющей стали с алюминиевой конструкцией.

Неметаллические аналоги[править | править вики-текст]

Для работы в агрессивных средах свойствами, подобными биметаллам, обладают спаи из стёкол или керамики с различным КТР,

Расчёт пластины[править | править вики-текст]

Изгиб (кривизна кривой, обратная величина к радиусу изгиба) биметаллической пластины[3]:

\kappa = \frac{6 E_1 E_2 (h_1 + h_2)h_1 h_2 \varepsilon }{E_1^2 h_1^4 + 4 E_1 E_2 
h_1^3 h_2 + 6 E_1 E_2 h_1^2 h_2^2 + 4 E_1 E_2 h_2^3 h_1 + E_2^2 h_2^4}

где:

  • \varepsilon = (\alpha_1-\alpha_2) \Delta T \,
  • E_1 — модуль Юнга материала 1 (здесь и ниже для материала 2 индексы, соответственно, 2)
  • h_1 — толщина материала 1
  • \alpha_1 — коэффициент теплового расширения материала 1
  • \Delta T — разность между температурой, при которой вычисляется изгиб, и температурой, при которой изгиб отсутствует.

История[править | править вики-текст]

По-видимому, биметаллические пластины были созданы в XVIII веке в Англии часовщиком Джоном Харрисоном для термокомпенсации его морского хронометра «H3».[4].

Примечания[править | править вики-текст]