Биметаллическая пластина под воздействием тепла изгибается

Биметаллическая пластина под воздействием тепла изгибается

Биметаллическая пластина: устройство, принцип действия, практическое применение

Сложные системы автоматики, выполняющие роль переключения режимов работы тех или иных устройств, построены на простейших элементах. Они имеют свойство изменять какой-либо из своих параметров (форму, объем, электропроводность и др.) под воздействием одного или нескольких факторов.

Так, все современные нагревательные элементы снабжены терморегуляторами, контролирующими степень нагрева поверхности. Основой любого термостата является биметаллическая пластина.

Что такое пластина биметаллическая

Элемент, обладающий свойством деформироваться (изгибаться) в одном направлении под воздействием повышенной температуры, получил название биметаллическая пластина. По названию можно догадаться, что в составе пластины имеются два металла. Каждый из них имеет свою величину коэффициента температурного расширения. В результате при нагреве такой пластины один компонент ее расширяется на определенную величину, а второй на другую.

Это приводит к изгибу, форма которого зависит от разности температурных коэффициентов. Скорость деформации прямо пропорциональна изменению температуры. При охлаждении пластины она приобретает исходное положение. Пластина является монолитным соединением и может работать сколь угодно долго.

Какие компоненты применяют в биметаллах

Для того чтобы соединить металлы между собой в единый биметалл, применяют способы пайки, сварки и заклепки.

Примером распространенной биметаллической пластины служит соединение латуни и стали. Такой композит имеет высокую термочувствительность.

Существуют аналоги биметалла из неметаллических материалов (стекло, керамика). Они призваны работать в агрессивных химических средах, где не может быть использован металл.

Как работает биметаллическая пластина

Пластина из биметалла работает в составе различных систем терморегулирования и термоконтроля, а точнее в термореле многих модификаций. В простейшее термореле входит:

  • Термостойкий корпус. В нем размещены все элементы реле.
  • Клеммы – служат для подключения электрической цепи.
  • Механические переключатели контактов или контактных групп. Замыкают и размыкают электрические контакты, включая или отключая цепь.
  • Диэлектрический шток либо прокладка. Передает механическое воздействие от пластины к переключателю.
  • Биметаллическая пластина. Является элементом реагирования на изменение температуры и создает давление на шток.
  • Датчик температуры. Обыкновенная металлическая пластина, непосредственно соединенная с элементом контроля. Она обладает хорошей теплопроводностью и передает тепло на биметалл.

Когда поверхность нагревателя имеет допустимую температуру, биметаллическая пластина находится в определенном изогнутом (ровном) состоянии, электрические контакты при этом замкнуты, в цепи нагревателя течет ток.

При повышении температуры поверхности биметалл начинает греться и постепенно деформируется, оказывая давление на шток. При этом наступает момент, когда шток размыкает контакт механического переключателя, и прерывается ток в цепи нагревателя. Далее он остывает, охлаждается пластина, цепь замыкается, и все повторяется снова.

Часто реле выпускают с возможностью регулирования срабатывания по величине температуры.

Биметаллическая пластина котла

Системы отопления на природном газе являются устройствами повышенной опасности, поэтому включают в себя различные датчики контроля состояния. Так, основной элемент безопасности – это датчик тяги. Он определяет правильное направление выхода продуктов сгорания, то есть от камеры сгорания в сторону дымохода. Это предотвращает попадание угарного газа в помещение и отравление людей.

Основным компонентом датчика тяги является биметаллическая пластина для газового котла. Принцип работы ее аналогичен любому биметаллу, а размеры и параметры материала рассчитаны таким образом, что превышение температуры 75 градусов в канале приводит к деформации пластины и срабатыванию газового клапана.

В каких устройствах используют биметалл

Область применения биметаллической пластины необычайно широка. Практически все устройства, где необходим контроль за температурой, оснащены термостатами на основе биметалла. Это объясняется конструктивной простотой и надежностью таких релейных систем. В привычной нам технике термостаты стоят:

  • В бытовых нагревательных приборах: печи, гладильные системы, бойлеры, электрочайники, и др.
  • Системы отопления: электрические конвекторы, газовые и твердотопливные котлы с электроникой.
  • В электропакетниках автоматического выключения.
  • В электронике в измерительных приборах, а также в генераторах импульсов и временных реле.
  • В двигателях теплового типа.

В промышленной технике биметаллические пластины устанавливают в тепловых реле, призванных защищать мощные электрические приборы от температурных перегрузок: трансформаторы, электродвигатели, насосы и т.д.

Когда меняют пластину

Все биметаллические пластины имеют длительный срок службы, но иногда ее замена неизбежна. Необходимость наступает тогда, когда:

  • Биметалл потерял свои свойства или произошло их изменение, что не соответствует режиму работы устройства.
  • Пластина выгорела (относится к тепловым реле).
  • При нарушении фиксирующего болта либо выходе из строя горелки запальника (в газовых котлах).
  • Когда замена пластины предполагается плановыми мероприятиями технического обслуживания.

В бытовой технике ее обычно не меняют. Если выходит из строя система терморегуляции, то замена биметаллической пластины происходит целым блоком, которые идут как запчасти к конкретной модели устройства. Но часто причиной выхода из строя термостата служит подгорание размыкающих контактов, а не биметаллическая пластина.

Биметаллические элементы электрических аппаратов и электроприборов

Биметаллический элемент представляет собой жесткое соединение двух металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения.

Если такой элемент нагреть, то каждый из двух указанных металлов будет удлиняться на определенную величину, характеризующуюся коэффициентами линейного расширения. Так как эти коэффициенты неодинаковый металлы жестко связаны друг с другом биметаллический элемент будет изгибаться в сторону металла, имеющего меньшее значение коэффициента линейного расширения.

Этим свойством биметалла пользуются для построения реле и регуляторов, предназначенных приходить в действие или от температуры среды, в которой расположен элемент, или от величины тока, питающего защищаемый объект.

В последнем случае этот ток пропускают или непосредственно через биметалл (при малых токах), пли через специальный нагреватель (обычно металлическую спираль), охватывающий биметалл.

При нагреве биметаллический элемент деформируется и размыкает электрическую цепь или непосредственно, или приводит в действие механизм, размыкающий контакты данной цепи (например, отбрасывает собачку, удерживающую контакты во включенном положении).

Принцип действия биметаллического элемента:

Биметаллический элемент чаще всего имеет (в холодном состоянии) форму прямых или U-образных пластин, реже — выполняется в форме плоских спиралей или цилиндрических пружин.

В зависимости от рода и назначения аппарата, в котором применяется биметалл, к последнему могут предъявляться различные требования: давать равные отклонения в широком диапазоне изменения температур, для чего необходима по возможности линейная зависимость между прогибом биметалла и его температурой во всем диапазоне последней, или обеспечить определенную чувствительность только при определенной температуре.

Конструкция биметаллического теплового расцепителя автоматического выключателя:

Изготовить биметалл для второго случая работы, очевидно, легче, чем для первого. Для некоторых случаев требуется, кроме того, определенный минимум отклонения, обеспечивающий надежное отключение цепи, а также — определенный минимум механической силы (или изгибающего момента), развиваемой биметаллом.

Все эти требования должны быть учтены при выборе формы и материала биметаллического элемента.

Соединение металлов между собой лучше всего производить с помощью сварки и в дальнейшем — прокатки. Спайка дает несколько худшие качества соединения. Составляющие биметалла должны приблизительно иметь одинаковую механическую прочность, чтобы при прокатке, обработке и нагреве получить одинаковые напряжения в материалах. Кроме того, для хорошей работы биметалла необходимо, чтобы он не имел остаточных деформаций, т. е. обладал высокими упругими свойствен.

Биметаллические пластины используются в электротепловых реле для защиты электродвигателей от токовых перегрузок. При возрастании тока через пластину, она нагревается, изгибается и отключает контакты реле, которые находятся в цепи катушки магнитного пускателя.

Электротепловое реле РТЛ:

Биметаллическая пластина в конструкции автоматических выключателей ПАР:

Очевидно, чем больше разность коэффициентах линейного расширения металлов, тем при прочих равных условиях получим большую чувствительность биметалла, т. е. большее значение стрелы прогиба. Поэтому нужно подбирать пару металлов с большой разностью этих коэффициентов.

В качестве металла с низким коэффициентом линейного расширения обычно берут железо-никелевые сплавы (от 36 до 46% никеля). Очень распространен для этого случая так называемый инвар (36,1% Ni+ 63,1Fe + 0,4%Mn + 0,4%Cu) и ему подобные сплавы.

В качестве термоактивной компоненты могут быть использованы различные металлы: медь, латунь, константан и т. д.

Толщина металлических пластин, образующих биметалл, обычно не превосходит десятых долей миллиметра.

Устройство и применение биметаллической пластины

Отправим материал на почту

Чтобы яснее представлять себе, что такое биметаллическая пластина, нужно разобраться в её составе, точнее, что подразумевается под определением биметаллов. Это может быть сплав либо механическое соединение двух или более металлов, что необходимо для изменения химических, механических и других качеств. Такие композиты относятся к группе прецизионных материалов (сплавов).

Устройство и применение

По сути, это отрезок ленты из биметалла, где один конец зафиксирован неподвижно, а другой смещается в одну или другую сторону, в зависимости от нагрева. Итак, в общих чертах с вопросом о том, что такое биметаллическая пластина, мы уже разобрались – теперь посмотрим, для чего это нужно.

Когда два разнородных металла зафиксированы между собой и представляют как бы одно целое, то при термическом воздействии они будут вести себя по-разному. Например, если это медь и сталь, то коэффициент расширения Cu гораздо выше, нежели у Fe, следовательно, при нагреве свободный конец будет загибаться в сторону стали. Примерная схема такой деформации показана на изображении выше.

Примечание: есть механизмы, где нужны две биметаллические пластины, когда они закреплены между собой механическим путем (заклепки) или сваркой (пайкой).

Если говорить о применении, то биметаллическая пластина, это подвижная с одной и неподвижная с другой стороны клемма, отвечающая за разъединение или замыкание контактов нагревательного прибора, в зависимости от температуры.

Термостаты

Для самого обыкновенного термостата, где нет никакой электроники, биметаллическая пластина выполняет функцию термореле или термодатчика – как угодно. Это означает, что она управляет контактами электрической цепи – когда полоса под воздействием тепла деформируется в одну или в другую сторону, то она давит на клемму или же этот упор слабеет, что приводит к замыканию-размыканию цепи. Если бы функция клеммы была возложена непосредственно на пластину, то контакты обязательно бы искрили и подгорали. Но так как это только рычаг, то замыкание-размыкание происходит резко, не вызывая искр.

Также биметаллическая пластина является неотъемлемой частью различных термореле и предохранителей. Например, самый обычный электрочайник на вашей кухне или утюг для глажки включается и выключается прибором, где задействована функция, основанная на разнице коэффициентов теплового расширения разнородных металлов. А ваши автоматические пробки или автоматы на электросчетчике срабатывают при повышении допустимой нагрузки, разрывая цепь подачи питания.

Другие приборы

Применение биметаллических пластин необходимо в стартерах люминесцентных ламп и электрических двигателей. Как в одном, так и в другом случае, нагрев биметалла продолжается непрерывно в период активности приборов.

Такой композиционный материал используется в контрольно-измерительных приборах, например, это может быть термометр с функцией подогрева. Такие устройства требуют повышенного потребления энергии, зато там нет механического износа деталей от трения. А ещё такие приборы устойчивы к вибрациям разной частоты, даже можно сказать, что они не реагируют на колебания вообще. Хорошим примером долговечности таких устройств можно назвать вибростойки, которые не реагируют на загрязнения и при этом способны восстанавливаться при увлажнении – это из области автомобилестроения.

Заключение

Для биметаллической пластины в современных технологиях найдется множество вариантов её применения, так как законы физики всегда остаются неизменными. Без этого композиционного материала не обходятся такие отрасли, как машиностроение и авиация, тяжелая промышленность и заводы прецизионных приборов. Также биметаллические пластины необходимы в научно-исследовательских институтах.

Исследовательская работа на тему «Тепловое расширение металлов, или раскрытие тайн биметаллической пластины» по физике

Муниципальное общеобразовательное учреждение

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

на тему

«Тепловое расширение металлов, или

раскрытие тайн

биметаллической пластины»

Ученика 10а класса

Лунина Егора Андреевича.

г. Воскресенск 2014

«С миру по нитке…».

Исследование расширения металлов.

Все тайны биметаллической пластины.

Рецензия на работу.

В электротехнике много внимания уделяется вопросам безопасности использования электроэнергии, автоматизации процессов управления электрическими цепями. Для этого разрабатываются различные чувствительные элементы — датчики, которые способны реагировать на изменения различных параметров в электрических цепях. Одним из таких замечательных элементов является биметаллическая пластина.

Биметаллические пластины применяют в автоматических выключателях для разрыва электрических цепей при недопустимо больших токах в них. В электронагревательных приборах (например, электроутюгах, электрорадиаторах, чайниках) биметаллические пластины используют для автоматического отключения или регулирования температуры.

Электроприборы часто встречаются в нашей повседневной жизни, именно поэтому я решил посвятить свою работу раскрытию тайн биметаллической пластины.

Цель работы: изучение свойств металлов при нагревании и исследование области применения этих свойств в устройствах, содержащих биметаллическую пластину.

Для достижения данной цели я поставил следующие задачи:

1) изучить литературу и другие источники информации по проблеме исследования, дать их анализ;

2) исследовать и проанализировать основные свойства биметаллических пластин;

3) показать значение биметаллической пластины в связи с её использованием в различных приборах.

Актуальность темы исследования заключается в том, что изучение свойств биметаллической пластины позволит существенно расширить область знаний об устройствах её содержащих.

Глава I

«С миру по нитке…»

Для того чтобы начать исследования в области свойств металлов при нагревании, необходимо систематизировать знания, полученные из различных источников информации.

Начну, пожалуй, с первого тома «Элементарного учебника физики» под редакцией академика . Из этой книги я взял основные понятия по теме исследования. Простые опыты и наблюдения убеждают нас, что при повышении температуры размеры тел немного увеличиваются, а при охлаждении – уменьшаются до прежних размеров. Так, имея простую монету и шпильки, можно показать, что при нагревании монета увеличивается в размерах и не проходит между двумя шпильками. Тот же самый эффект получается при нагревании шара (шар не проходит через металлическое кольцо).(4) Изменение линейных размеров тела при нагревании называют линейным расширением. Если однородное тело нагревается одинаково во всех частях, то оно, расширяясь, сохраняет свою форму. Например, рассмотрим интересный опыт, представленный в первом томе «Курса физики для средних специальных учебных заведений» под редакцией и . Пусть имеется металлический лист, в котором пробито круглое отверстие. Опыт показывает, что размер отверстия при нагревании увеличивается. Такой результат может показаться странным. Однако если бы лист расширялся и наружу и внутрь отверстия, то атомы металла, расположенные по краю отверстия, должны были бы сблизиться, так как длина окружности края отверстия стала бы короче. Но расстояния между атомами металла при его нагревании должны возрастать, а не уменьшаться. Следовательно, отверстие в листе должно увеличиваться. (2)

Таким образом, отверстия и полости в твёрдых телах при нагревании увеличиваются, а при охлаждении сжимаются, и, при том так, как будто бы они сплошь заполнены тем веществом, из которого состоит твёрдое тело.

Иное происходит при неравномерном нагревании, при этом в них возникают напряжения, которые могут привести к разрушению, если напряжения сделаются слишком большими. Именно поэтому, если в стеклянную посуду наливать горячую воду, она может лопнуть. Существует, однако, специальные сорта стекла (так называемое кварцевое стекло), которые при нагревании расширяются настолько мало, что напряжения при неравномерном нагревании посуды, сделанной из такого стекла, не опасны.

Напряжения, появляющиеся в твёрдых телах вследствие теплового расширения, могут быть очень большими. Это необходимо принимать во внимание во многих областях техники. Бывали случаи, когда части железных мостов, склёпанные днём, охлаждаясь ночью, разрушались, срывая многочисленные заклёпки. Во избежание подобных явлений, принимают меры к тому, чтобы части сооружений при изменении температуры расширялись или сжимались свободно. Например, железные паропроводы снабжают пружинящими изгибами в виде петель, так называемыми компенсаторами.

Из учебного пособия «Физика» под редакцией и я узнал, что нагревание придает телам некоторые новые свойства. Найдено, что при нагревании на 1°С каждый метр железа удлиняется на 0,012 мм, алюминия — на 0,024 мм. Как ни малы эти величины, однако они всегда учитываются в технике.(7) Так, например, большие железнодорожные мосты закрепляют только с одного конца, а другой конец укладывают на катки. А если посмотреть на железнодорожные рельсы, то можно увидеть на месте соединения двух кусков промежуток. Если рельсы поставить вплотную, то летом, в сильную жару, они удлинятся и могут лопнуть. Благодаря одинаковому расширению железа и бетона стало возможным применять железобетонные постройки.

Анализируя приобретённые знания, можно сделать вывод, что расширение металлических тел при нагревании связано с увеличением линейных размеров тела и его объёма, и это надо обязательно учитывать при термообработке и при термическом способе изготовления деталей и оборудования, при строительстве машин, трубопроводов, электрических линий, мостов, зданий, подверженных температурным изменениям.

Глава II

Исследование расширения металлов

При расширении тела происходит увеличение его объема, в этом случае говорят об объемном расширении тела. Но иногда нас интересует лишь изменение одного размера, например длины железнодорожного рельса или металлического стержня. Тогда говорят о линейном расширении. Конструкторы автомобилей интересуются расширением поверхности листов металла, применяемых при постройке машины. Здесь вопрос стоит о поверхностном расширении.

Оказывается, что не одинаково расширяются тела при нагревании на одно и то же число градусов, так как у разных веществ молекулы имеют разные массы. Изменение температуры на одно то же число градусов характеризует одинаковую среднюю квадратичную скорость молекул. Средняя кинетическая энергия молекул с меньшей массой будет меньше, чем молекул с большой массой. Поэтому межмолекулярные пространства различных веществ изменяются различно при одинаковой температуре, что и приводит к неодинаковому расширению. (3)

Величина, характеризующая зависимость линейного расширения тел при нагревании от рода вещества, называется коэффициентом линейного расширения и обозначается α.

Коэффициент линейного расширения показывает, на какую часть своей величины при 0оС изменяется длина тела при нагревании на 1оС

Выведем единицу измерения коэффициента линейного расширения

Отмечу, что коэффициент α при повышении температура увеличивается. Однако это изменение столь мало, что при не слишком больших изменениях температуры им можно пренебречь. Поэтому в дальнейшем коэффициент α для каждого вещества считается постоянным.

В некоторых случаях необходимо учитывать расширение тел во всех направлениях, которое принято называть объёмным расширением. При нагревании кристаллов их расширение по различным направлениям неодинаково. Однако при нагревании изотропных веществ расширение по всем направлениям одинаково.

Если объём тела при 0оС и при tоС соответственно обозначить V0 и Vt, то объёмное расширение тела будет Изменение объёма тела при нагревании прямо пропорционально первоначальному объёму V0 и приросту температуры, т. е.

Коэффициент пропорциональности β в данной формуле выражает зависимость объёмного расширения от рода вещества.

Величина, характеризующая зависимость объёмного расширения тел при нагревании от рода вещества, называется коэффициентом объёмного расширения.

Коэффициент объёмного расширения показывает, на какую часть своей величины при 0оС изменяется объём тела при нагревании на 1оС

Как и в случае линейного расширения, коэффициент β для каждого вещества постоянен.

Выведем единицу измерения β.

Обычно в таблицах даются только коэффициенты линейного расширения твёрдых тел, а коэффициенты объёмного расширения не приводятся. Объясняется это тем, что величину β легко вычислить по величине α, пользуясь приближенной формулой

Покажем, как выводится эта формула. Возьмём твёрдое тело в форме куба, длина ребра которого l. Обозначим через l0 – длину ребра при 0оС и через V0–объём тела при 0оС. Тогда при температуре toCдлина ребра будет , а объём тела.Так как объём куба равен l3, то можно написать

Учитывая, что после сокращения получим

Поскольку α для всех веществ – малое число, можно пренебречь членами, содержащими α во второй и третьей степенях. Тогда приближенно

А теперь давайте посмотрим на коэффициенты линейного расширения для некоторых металлов, а также получим коэффициент линейного расширения для железа, по экспериментальным данным. (5)

Почему изгибается биметаллическая пластина?

В термографах биметаллическая пластина через систему рычагов управляет пером самописца, рисующим график изменения температуры (применяется в метеорологии). Например, в регуляторе температуры биметаллическая пластина, нагреваясь до предельно допустимой температуры, определеленным образом изгибается и размыкает цепь .

Для чего в тепловом реле применяется биметаллическая пластина?

Для защиты от перегрузок, наиболее широкое распространение получили тепловые реле с биметаллической пластиной. Биметаллическая пластина теплового реле состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший температурный коэффициент расширения, другая — меньший.

Что такое биметаллический элемент?

Биметаллический элемент представляет собой жесткое соединение двух металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения. … В последнем случае этот ток пропускают или непосредственно через биметалл (при малых токах), пли через специальный нагреватель (обычно металлическую спираль), охватывающий биметалл.

Для чего в тепловых реле нужна температурная компенсация?

Что такое температурная компенсация теплового реле и для чего она служит? Работа теплового реле основана на изгибании биметаллической пластинки под действием тепла, выделяемого в нагревательном элементе. … Таким образом, например, в жаркие дни реле будет срабатывать быстрее, чем в холодные.

Читайте также  Теплая палатка для ночевки зимой

Для чего применяются тепловые реле типа Трн?

Тепловое реле — электрический аппарат, предназначенный для защиты электродвигателя от токовых перегрузок. Наиболее распространёнными типами тепловых реле являются ТРН, ТРП, РТТ и РТЛ.

Что входит в биметалл?

Бимета́лл — композиционный материал, состоящий из двух или более различных слоёв металлов или их сплавов. Термобиметаллические материалы относятся к группе прецизионных материалов.

Что лучше чугун или биметалл?

Чугун намного дешевле, чем биметалл. … Однако если есть возможность, лучше установить биметалл. Жителям высотных домов лучше поставить биметаллические батареи из-за высокого давления в системе отопления. В любом случае биметалл более эффективен, чем чугун.

Для чего нужна биметаллическая пластина?

Биметаллическая пластина — это пластина, специально изготовленная из пары различных металлов или из биметалла. Такие пластины традиционно используют в термомеханических датчиках. … В защитных устройствах и термостатах биметаллические пластины управляют состоянием электрических контактов.

Что значит температурная компенсация?

Термин: Температурная компенсация при измерениях

В общем случае, температурной компенсацией датчика (преобразователя) называется метод уменьшения заранее известной температурной зависимости показаний датчика с использованием показаний термометра, измеряющего температуру датчика.

Что входит в состав тепловых реле?

Как видите, в состав механизма входят:

  • нагревательный элемент – токоведущая часть, пропускающая через себя рабочий ток электрической машины;
  • биметаллическая пластина – выступает в роли действующего индикатора, реагирующего на превышение температуры;

Как работает токовое реле?

В общем случае токовое реле представляет собой устройство, реагирующее на увеличение тока в защищаемой электросети, т. е. оно срабатывает при достижении в цепи заранее установленной величины тока. При уменьшении тока до ранее выставленного значения происходит возврат подвижной системы в исходное положение.

Для чего применяются тепловые реле?

Одним из защитных аппаратов, применяемых в электроустановках, является тепловое реле, которое используется для защиты электродвигателя от перегрузки.

Почему тепловое реле не защищает нагрузку от токов короткого замыкания?

Тепловое реле не защищает цепь от короткого замыкания и само должно быть защищено от него. При коротком замыкании элемент нагревается без отдачи теплоты в окружающую среду.

Какие вы знаете основные части Электротеплового реле?

Электротепловое реле ТРТ состоит из следующих основных частей: биметаллического элемента; корпуса; механизма выбора уставки; механизма возврата контактов; контактной системы; присоединительных пластин (зажимов); нагревательного элемента; трансформатора тока.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector