Cada material metálico en el universo tiene sus propias propiedades como propiedad eléctrica, propiedad mecánica, propiedades magnéticas, propiedades químicas, propiedades térmicas y propiedades ópticas. Este artículo explica acerca de una tira bimetálica que se basa en la propiedad de expansión térmica. Suele observarse en aplicaciones como caja de hierro, calentadores, hervidores, etc. Una tira bimetálica se convierte energía térmica en desplazamiento mecánico.
¿Qué es la tira bimetálica?
Definición: Una tira bimetálica funciona según el principio de expansión térmica, que se define como el cambio de volumen de metal con el cambio de temperatura. La tira bimetálica trabaja sobre dos fundamentos básicos de los metales.
- La primera fundamental es la expansión térmica, que establece que los metales se expanden o contraen en función de la variación de temperatura.
- El segundo fundamental es el coeficiente de temperatura, donde cada metal (que tiene su propio coeficiente de temperatura) se expande o contrae de manera diferente a una temperatura constante.
Propiedades de la tira bimetálica
Algunas de las propiedades importantes de la tira bimetálica son
- Coeficiente de expansión: se define como un cambio en la propiedad física de un metal en respuesta a cambios en las temperaturas como forma, área y volumen.
- Módulos de elasticidad: se define como la relación de tensión a deformación en una región de deformación elástica.
- Límite elástico de enfriamiento: es el límite estándar en el que el metal vuelve a su estado normal al enfriarse. Esta propiedad varía de un metal a otro.
- Conductividad eléctrica: se define como la cantidad de corriente que atraviesa el material.
- Ductilidad
- Habilidad metalúrgica.
Construcción de Tira Bimetálica
Una tira bimetálica se forma uniendo dos tiras delgadas diferentes de metales, generalmente acero (12 * 10-6A-1) y latón (18,7 * 10-6A-1) o cobre (16.6 * 10-6A-1), donde un extremo de estos metales se fija soldando y el otro extremo queda libre. Al aplicar temperatura a estos materiales, comenzarán a cambiar su estado físico expandiéndose o deformándose.
Construcción
Se puede explicar en los siguientes dos casos,
Caso (i): Cuando la temperatura aumenta, permite que la tira se expanda hacia el metal con un valor menor de coeficiente de temperatura, lo que se puede observar en la figura siguiente.
Tira fija en un extremo
Casas (ii): Cuando la temperatura disminuye, permite que la tira se expanda hacia el metal con un valor más alto de coeficiente de temperatura, como se muestra a continuación.
Deflexión de la tira bimetálica
A partir de esto, podemos entender que el
Rango de deflexión = metal usado
Deflexión del metal = (longitud de la tira + variación de temperatura) / espesor de la tira
Representación matemática
Considere dos metales como A y B a dos temperaturas diferentes 'T1' y 'T2'. El radio de la curvatura de la tira bimetálica se puede determinar matemáticamente a partir de la siguiente ecuación.
R = t {3 (1 + m)2+ (1 + m * n) [m2+ 1 / m * n]} / 6 (α 'A- α 'B) (T2-T1) (1 + m)2……1
Dónde,
R = radio de curvatura a la temperatura 'T2'
t = (t1 + t2) = suma del espesor de la tira bimetálica
n = EA/ ESB = relación de elasticidad de dos metales
m = t1 / t2 = (menor espesor - expansión del metal) / (mayor espesor - expansión del metal)
a'A, a 'B = Coeficiente térmico de expansión del metal A y B
T1 = temperatura inicial
T2 = Temperatura final.
La ecuación para la flexión de la tira metálica hacia el metal con coeficiente de baja temperatura se da como
r = 2 t / [6 * (αA- αB) (T2-T1)] ……………(2)
En un mundo práctico, la relación entre los módulos de elasticidad de los metales y su espesor debe mantenerse igual para que el metal recupere su posición normal cuando cambie la temperatura aplicada. Si el espesor del metal es t / 2 entonces
[r + (t / 2)] / r = Longitud ampliada de la tira ampliada A / Longitud ampliada de la tira ampliada B
= L [1 + αA(T2-T1)] / L [1 + αB(T2-T1)]
= t / 2 [[1 + αB(T2-T1)] / [(aA- αB) (T2-T1)] ]
r = t / [2 αA(T2-T1) ] ………….. (3)
De la ecuación anterior, podemos concluir que si un extremo de la tira metálica está fijo, el otro extremo de la tira se expande o contrae en diferentes temperaturas. Este tipo de principio se suele observar en los termómetros de baja sensibilidad.
Tipos de tiras bimetálicas
Las tiras bimetálicas están disponibles en dos tipos, son
Tipo de tira en espiral
Consiste en una estructura en forma de espiral y se le adjunta un puntero, que se utiliza para escalar la temperatura. Cuando esta estructura de resorte se calienta, los metales exhiben propiedades de expansión térmica y se deforma cuando hay una caída de temperatura. En esta etapa, el puntero registra la temperatura en la escala. Este tipo de termómetros se utilizan generalmente para registrar la temperatura ambiente.
Tipo de tira en espiral
Tipo helicoidal
Consiste en una estructura helicoidal cuyo funcionamiento es similar al de la banda bimetálica. Donde el extremo libre de la tira está conectado a un puntero. Siempre que la tira se calienta, experimenta la propiedad de expansión térmica y se contrae al enfriarse. En esta etapa, el puntero registra la lectura de temperatura. Por lo general, este tipo de termómetros se utilizan en aplicaciones industriales.
Tipo helicoidal
Ventajas
Las siguientes son las ventajas de la tira bimetálica
- No se requiere fuente de alimentación externa
- Simple de usar y robusto
- Menos costo
- Da precisión entre ± 2 a 5%
Desventajas
Las siguientes son las desventajas de la tira bimetálica
- Pueden medir hasta 4000 C
- Habrá un cambio en la calidad del metal con el uso regular que puede provocar un error durante la medición.
- A baja temperatura, la sensibilidad y la precisión no están a la altura.
Aplicaciones de la tira bimetálica
Las siguientes son las aplicaciones de la tira bimetálica
- Relojes
- Termistor
- Caja de hierro
- Motor térmico
- Calentadores
Preguntas frecuentes
1). ¿Qué dispositivos utilizan una tira bimetálica?
Una tira bimetálica se utiliza en dispositivos como una alarma contra incendios, ventiladores, etc.
2). ¿Qué sucede cuando se calienta una tira bimetálica?
- Cuando se calienta una tira bimetálica, los metales se expanden o deforman en función de sus propiedades de coeficiente térmico.
- Caso 1: Con el aumento de temperatura hace que la tira se expanda hacia el metal con el valor más bajo de coeficiente de temperatura, lo cual se puede observar en la siguiente figura y
- Caso 2: Cuando la temperatura disminuye hace que la tira se expanda hacia el metal con un valor más alto de coeficiente de temperatura, como se muestra a continuación.
3). ¿Se utilizan bandas bimetálicas en ventiladores?
Sí, se utilizan en ventiladores para convertir la temperatura en desplazamiento mecánico.
4). ¿Por qué se doblan las tiras bimetálicas?
Las tiras bimetálicas se doblan debido a la propiedad de expansión térmica del metal.
5). ¿Se puede utilizar una tira bimetálica de latón y plata en el termostato?
No, la tira bimetálica de latón y plata no se puede utilizar en el termostato. Dado que tienen una diferencia insignificante en su propiedad de expansión térmica.
Por lo tanto, se trata de una descripción general de una tira bimetálica que trabaja en dos principales coeficientes de temperatura y expansión térmica fundamental. Suele ser un dispositivo termómetro que mide la temperatura. Consta de dos tiras metálicas diferentes, donde ambas se sueldan entre sí y se fija uno de sus extremos y se suelta otro extremo. Estos metales se expanden o deforman a diferentes temperaturas. Están disponibles en dos formas helicoidales y en espiral. Donde se usa termómetro de tira bimetálica helicoidal en áreas industriales, y el termómetro bimetálico en espiral se usa en áreas menos sensibles. La principal ventaja es que proporciona una precisión de entre ± 2 y 5%. Aquí tienes una pregunta, ¿cuál es la función de la tira bimetálica?
