Bimetal şerit

İki metaldeki termal genleşme arasındaki farkın, şeridin çok daha büyük bir yatay yer değiştirmeye nasıl dönüştüğünü gösteren bir bimetal şerit diyagramı.

Bir termometreden gelen bimetal bobin, çakmak hareket ettirildiğinde boşalarak ve tekrar kıvrılıp sararak çakmaktan gelen ısıya tepki gösterir.

Bimetal şerit, sıcaklık değişimini mekanik yer değiştirmeye dönüştürmek için kullanılan bir araçtır. Isıtıldığında farklı tonlarda genişleyen; genellikle çelik veya bakırdan, bazen pirinçten yapılan, iki farklı metal şeritten oluşur. Şeritler, perçinleme, lehimleme ya da kaynaklama yoluyla boydan boya birbirine birleştirilir. Farklı genişlemeler, metalin ısıtılmaları durumunda, düz şeridi; bir istikamete doğru bükülmeye zorlar; başlangıçtaki sıcaklığın altına düşülmesi durumda ise tersi istikamette gelişmeye zorlar. Daha yüksek katsayılı termal genleşme ile metal; şerit ısıtıldığında veya iç kısmı soğutulduğunda eğrinin dış tarafında bulunur. Şeridin yanlara doğru yer değiştirmesi iki metalin her birine yönelik küçük bir uzunlamasına genişlemeden çok daha büyüktür. Bu etki, mekanik ve elektrikli cihazlarda geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Bazı uygulamalarda bimetal şerit düz form şeklinde kullanılmaktadır. Diğerlerinde, bu kompaktlık (yoğunluk) için bir bobin halinde sarılır. Sarmal versiyonunun (sürümün) daha uzunu gelişmiş bir duyarlılık vermekte.

Tarihi

En erken döneme ait bimetal şerit, genellikle bu keşifle anılan 18. yy saat üreticisi John Harrison tarafından yapılmıştır. O bunu, denge yayındaki sıcaklık kaynaklı değişiklikleri telafi etmek için 1759’un üçüncü deniz kronometresi (H3) için yaptı. Bu ızgara sarkaçtaki termal genişlemenin düzeltilmesi için yaptığı bimetalik mekanizma ile karıştırılmamalıdır. Onun en erken örneklerinde, perçinler ile birleştirilmiş iki ayrı metal şerit vardı, ayrıca doğrudan çelik yüzey üzerine eritilmiş bakır eritme tekniğini de icat etti. Bu tipte bir şerit onun son zaman göstergesi, H5’e uygundu. Harrison'ın bu icadı İngiltere’deki Westminster kilisesindeki bir anıtlaştırıldı.

Uygulamaları

Saatler

Mekanik saat mekanizmaları, çalışıma saatlerinin saptanmasında hatalara neden olacak ısı değişikliklerine hassasiyet göstermektedirler. Bimetal şerit bazı mekanizmalarda kompanse etmek için kullanılır. En yaygın yöntem denge çarkı tekerinin dairesel kasnağı için bimetal yapının kullanılmasıdır. Dengeyi denetleyen yay ısının artmasıyla daha da zayıflarken, denge (ve dolayısıyla zamanın kaydedilmesi) salınım sürecini sabit tutmak için çapta küçülür.

Termostatlar

Isınmanın ve soğumanın regülasyonunda, geniş bir sıcaklık aralığı üzerinde çalışan termostatlar kullanılmaktadır. Bunlarda, diğer (hareketli) uç elektrikle temas halindeyken, bimetal şeridin bir ucu da mekanik olarak sabit olup bir elektrik güç kaynağına bağlıdır. Ayarlanabilir termostatlarda diğer bir temas, bir kontrol düğmesi veya kolu ile konumlandırılmıştır. Böylece belirlenen pozisyon; ayar noktası denilen regüle edilmiş (düzenlenmiş) ısıyı kontrol eder.

Bimetal bobinli termostat (2’de)

Bazı termostatlar iki elektrik kablosuna bağlı cıvadan bir anahtar kullanır. Tüm mekanizmanın açısı, termostatın ayar noktasını kontrol edecek şekilde ayarlanabilir. Uygulamaya bağlı olarak, daha yüksek bir sıcaklığın (bir ısıtıcı kontrolü olarak) bir kontak açabilme ihtimali bulunmakta veya (bir buzdolabı veya klimada olduğu üzere) bir kontağı kapatabilmekte. Elektrik bağlantıları (bir ev ütüsündeki gibi) doğrudan veya dolaylı olarak elektrikle çalışan valf üzerinden, bir röle ya da doğal gaz veya akaryakıt tedarik yoluyla elektriği açıp kapayarak güç kaynağını kontrol edebilir. Bazı doğal gaz ısıtıcılarında güç kaynağı bir pilot ateşi (küçük sürekli yanan alev) ile ısıtılan bir termokupl (hararet müşiri) ile donatılabilir. Yakmak için pilot ateşi olmayan bazı cihazlarda (en modern gaz kurutucularında ve bazı doğal gaz ısıtıcılarında ve dekoratif şöminelerde olduğu gibi) kontaklar; ya bir resistanslı ısıtıcı veya elektrikle çalışan, kıvılcım üreten cihazı bulunan elektronik ateşleyiciyi kontrol eden röleyi çalıştıran gücü azaltılmış elektrikli ev aletleriyle sağlanır.

Termometreler

Sonucu doğrudan gösteren kadranlı termometre (verandada bulunan termometre veya etin bulunduğu buzdolabındaki termometre örneğinde olduğu gibi), bobin halinde sarılmış bir bimetal şerit kullanır. Bobinin bir ucu, elektrikli ev cihazına sabitlenmiş olup, diğer ucu da gösterge inesi sağlar. Bimetal şerit, kayıt termometresinde de kullanılır. Breguet termometresi, bir tri-metalik sarmaldan oluşur.

Isı motorları

Isı motorlarını üretimi amacıyla ilkelerin nasıl kullanılabileceğini gösteren basit oyuncaklar üretilmektedir.

Elektrikli cihazlar

Aşırı akımdan devrelerini korumak için minyatür devre kesicilerde bimetal şeritler kullanılır. Bimetal şeridi ısıtmak için, yayla çalışan kontağı gevşeten bağlantıyı çalıştıran ve büken tel bobin kullanılır. Bu devreyi keser ve bimetal şerit soğuduğunda sıfırlanabilir. Bimetal şeritler zaman-geciktirme rölelerinde, lamba flaşör ve floresan lamba staterlerinde (çalıştırıcılar) de kullanılmaktadır. Bazı cihazlarda doğrudan mevcut bimetal şeritler üzerinden akan elektrik akımı, onu ısıtmak ve kontağı doğrudan çalıştırmak için yeterlidir.

Hesaplamalar

Bimetalik Işının eğriliği:

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

Bu formülde $E_{1}$ ve $h_{1}$ Young modülü olup, Materyal birin yüksekliği ve $E_{2}$ ve $h_{2}$Young modülü olup Materyal ikinin yüksekliğidir. $\epsilon$ gerginlik uyumsuzluğu olup

aşağıdaki formülle hesaplanır:

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

Bu formülde, α1 Malzeme Bir'in Termal Genleşme Katsayısı olup, α2 Malzeme

İki Termal Genleşme Katsayısını ifade eder. ΔT akımın sıcaklığı eksi referans

sıcaklığıdır (ışının hiçbir bükülme göstermediği ısı noktası).