Nastro bimetallico - Bimetallic strip

Schema di un nastro bimetallico che mostra come la differenza di dilatazione termica nei due metalli porti ad uno spostamento laterale del nastro molto maggiore
La bobina bimetallica di un termometro reagisce al calore di un accendino, svolgendosi e poi riavvolgendosi quando l'accendino viene rimosso.

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 quando vengono riscaldate. Le diverse espansioni costringono il nastro piatto a piegarsi in un senso se riscaldato, e nel senso opposto se raffreddato al di sotto della sua temperatura iniziale. Il metallo con il coefficiente di dilatazione termica più elevato si trova sul lato esterno della curva quando il nastro viene riscaldato e sul lato interno quando viene raffreddato.

L'invenzione della striscia bimetallica è generalmente attribuita a John Harrison , un orologiaio del XVIII secolo che lo realizzò per il suo terzo cronometro da marina (H3) del 1759 per compensare i cambiamenti indotti dalla temperatura nella spirale del bilanciere . L'invenzione di Harrison è riconosciuta nel memoriale a lui dedicato nell'Abbazia di Westminster , in Inghilterra.

Questo effetto è utilizzato in una gamma di dispositivi meccanici ed elettrici.

Caratteristiche

Il nastro è costituito da due nastri di metalli diversi che si espandono a velocità diverse man mano che vengono riscaldati, solitamente acciaio e rame , o in alcuni casi acciaio e ottone . Le strisce vengono unite per tutta la loro lunghezza mediante rivettatura , brasatura o saldatura . Le diverse espansioni costringono il nastro piatto a piegarsi in un senso se riscaldato, e nel senso opposto se raffreddato al di sotto della sua temperatura iniziale. Il metallo con il coefficiente di dilatazione termica più elevato si trova sul lato esterno della curva quando il nastro viene riscaldato e sul lato interno quando viene raffreddato. Lo spostamento laterale della striscia è molto maggiore della piccola espansione longitudinale in uno dei due metalli.

In alcune applicazioni, il nastro bimetallico viene utilizzato in forma piatta. In altri, è avvolto in una bobina per compattezza. La maggiore lunghezza della versione a spirale offre una migliore sensibilità.

La curvatura di una trave bimetallica può essere descritta dalla seguente equazione:

dove e è il raggio di curvatura, e sono il modulo di Young e l'altezza (spessore) del materiale uno e e sono il modulo di Young e l'altezza (spessore) del materiale due. è la deformazione disadattata, calcolata da:

dove α 1 è il coefficiente di dilatazione termica del materiale uno e α 2 è il coefficiente di dilatazione termica del materiale due. ΔT è la temperatura attuale meno la temperatura di riferimento (la temperatura in cui la trave non ha flessione).



L'intuizione può essere acquisita se il risultato appena dato viene moltiplicato in alto e in basso per

dove , e . Poiché per piccolo , che è insensibile a a causa della mancanza di termini del primo ordine, allora possiamo approssimare per vicino all'unità (e insensibile a ), e per vicino all'unità (e insensibile a ). Quindi, a meno che non siamo molto lontani dall'unità, possiamo approssimare .

Storia

Memoriale di John Harrison nell'Abbazia di Westminster, Londra

La prima striscia bimetallica sopravvissuta fu realizzata dall'orologiaio del XVIII secolo John Harrison, a cui è generalmente attribuita l'invenzione. Lo realizzò per il suo terzo cronometro da marina (H3) del 1759 per compensare i cambiamenti indotti dalla temperatura nella spirale del bilanciere . Non va confuso con il meccanismo bimetallico per la correzione della dilatazione termica nel suo pendolo a graticola . I suoi primi esempi avevano due singole strisce di metallo unite da rivetti, ma inventò anche la tecnica successiva di fusione diretta dell'ottone fuso su un substrato di acciaio. Una striscia di questo tipo è stata montata sul suo ultimo cronometrista, H5. L'invenzione di Harrison è riconosciuta nel memoriale a lui dedicato nell'Abbazia di Westminster , in Inghilterra.

Applicazioni

Questo effetto è utilizzato in una gamma di dispositivi meccanici ed elettrici.

Orologi

I meccanismi dell'orologio meccanico sono sensibili alle variazioni di temperatura poiché ogni parte ha una tolleranza ridotta e porta a errori nel mantenimento del tempo. Una striscia bimetallica viene utilizzata per compensare questo fenomeno nel meccanismo di alcuni segnatempo. Il metodo più comune consiste nell'utilizzare una costruzione bimetallica per il bordo circolare del bilanciere . Quello che fa è spostare un peso in modo radiale guardando il piano circolare in basso vicino al bilanciere, variando quindi il momento d'inerzia del bilanciere. Poiché la molla che controlla il bilanciere si indebolisce con l'aumentare della temperatura, il bilanciere diventa più piccolo di diametro per diminuire il momento d'inerzia e mantenere costante il periodo di oscillazione (e quindi di cronometraggio).

Al giorno d'oggi questo sistema non viene più utilizzato a causa della comparsa di leghe a basso coefficiente di temperatura come nivarox , parachrom e molte altre a seconda di ogni marca.

Termostati

Termostato con serpentina bimetallica a (2)

Nella regolazione del riscaldamento e del raffreddamento vengono utilizzati termostati che operano su un'ampia gamma di temperature. In questi, un'estremità del nastro bimetallico è fissata meccanicamente e fissata a una fonte di alimentazione elettrica, mentre l'altra estremità (in movimento) 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, detta set point .

Alcuni termostati utilizzano un interruttore a mercurio collegato a 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 alta può aprire un contatto (come nel controllo di un riscaldatore ) o può chiudere un contatto (come in un frigorifero o in un condizionatore d'aria ).

I contatti elettrici possono controllare l'alimentazione direttamente (come in un ferro da stiro) o indirettamente, commutando l'energia elettrica tramite un relè o l'alimentazione di gas naturale o olio combustibile tramite una valvola ad azionamento elettrico. In alcuni riscaldatori a gas naturale l'alimentazione può essere fornita da una termocoppia riscaldata da una fiamma pilota (una piccola fiamma che brucia continuamente). Nei dispositivi senza fiamma pilota per l'accensione (come nella maggior parte delle moderne asciugabiancheria a gas e in alcuni riscaldatori a gas naturale e caminetti decorativi) l'alimentazione per i contatti è fornita da una ridotta potenza elettrica domestica che aziona un relè che controlla un accenditore elettronico, una resistenza o un dispositivo di generazione di scintille alimentato elettricamente .

Termometri

Un termometro a quadrante a indicazione diretta , comune nei dispositivi domestici (come un termometro da patio o un termometro per carne), utilizza una striscia bimetallica avvolta in una bobina nel suo design più comune. La bobina trasforma il movimento lineare dell'espansione metallica 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 indicatore all'interno di un indicatore circolare. Una striscia bimetallica è utilizzata anche in un termometro di registrazione . Il termometro di Breguet è costituito da un'elica trimetallica per avere un risultato più accurato.

Motore termico

I motori termici non sono i più efficienti, e con l'uso di nastri bimetallici l'efficienza dei motori termici è ancora inferiore in quanto non esiste una camera per contenere il calore. Inoltre, i nastri bimetallici non possono produrre forza nei suoi movimenti, il motivo è che per ottenere piegature (movimenti) ragionevoli entrambi i nastri metallici devono essere sottili per rendere evidente la differenza tra le dilatazioni. Quindi gli usi delle strisce metalliche nei motori termici sono per lo più in semplici giocattoli che sono stati costruiti per dimostrare come il principio può essere utilizzato per azionare un motore termico .

Dispositivi elettrici

Le strisce bimetalliche sono utilizzate negli interruttori miniaturizzati per proteggere i circuiti dalla corrente eccessiva. Una bobina di filo viene utilizzata per riscaldare una striscia bimetallica, che si piega e aziona un collegamento che sblocca un contatto azionato a molla. Questo interrompe il circuito e può essere ripristinato quando il nastro bimetallico si è raffreddato.

Le strisce bimetalliche sono utilizzate anche nei relè temporizzatori, nelle valvole di sicurezza dei forni a gas , nei lampeggiatori termici per gli indicatori di direzione più vecchi e negli avviatori per lampade fluorescenti . In alcuni dispositivi, la corrente che scorre direttamente attraverso la striscia bimetallica è sufficiente per riscaldarla e azionare direttamente i contatti. È stato anche utilizzato nei regolatori di tensione PWM meccanici per usi automobilistici.

Guarda anche

Riferimenti

Appunti

link esterno