Se utiliza una tira bimetálica para convertir un cambio de temperatura en un desplazamiento mecánico. La tira consta de dos tiras de diferentes metales que se expanden a diferentes velocidades a medida que se calientan. Las diferentes expansiones obligan a la tira plana a doblarse en una dirección si se calienta y en la dirección opuesta si se enfría por debajo de su temperatura inicial. El metal con el coeficiente de expansión térmica más alto está en el lado exterior de la curva cuando la tira se calienta y en el lado interior cuando se enfría.
La invención de la tira bimetálica generalmente se atribuye a John Harrison , un relojero del siglo XVIII que lo fabricó para su tercer cronómetro marino (H3) de 1759 para compensar los cambios inducidos por la temperatura en el resorte de equilibrio . [1] La invención de Harrison se reconoce en el monumento a él en la Abadía de Westminster , Inglaterra.
Este efecto se utiliza en una variedad de dispositivos mecánicos y eléctricos.
Caracteristicas
La banda consta de dos bandas de diferentes metales que se expanden a diferentes velocidades a medida que se calientan, generalmente acero y cobre , o en algunos casos acero y latón . Las tiras se unen en toda su longitud mediante remachado , soldadura fuerte o soldadura . Las diferentes expansiones obligan a la tira plana a doblarse en una dirección si se calienta y en la dirección opuesta si se enfría por debajo de su temperatura inicial. El metal con el coeficiente de expansión térmica más alto está en el lado exterior de la curva cuando la tira se calienta y en el lado interior cuando se enfría. El desplazamiento lateral de la tira es mucho mayor que la pequeña expansión longitudinal en cualquiera de los dos metales.
En algunas aplicaciones, la tira bimetálica se utiliza en forma plana. En otros, se envuelve en una bobina para que sea más compacto. La mayor longitud de la versión enrollada proporciona una sensibilidad mejorada.
La curvatura de una viga bimetálica se puede describir mediante la siguiente ecuación:
dónde y es el radio de curvatura, y son el módulo de Young y la altura (espesor) del material uno y y son el módulo de Young y la altura (espesor) del material dos. es la deformación de desajuste, calculada por:
donde α 1 es el coeficiente de expansión térmica del material uno y α 2 es el coeficiente de expansión térmica del material dos. ΔT es la temperatura actual menos la temperatura de referencia (la temperatura donde la viga no tiene flexión). [2] [3]
Derivación del radio de curvatura | |
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Deje que la capa en el lado cóncavo sea la capa 1 y en el lado convexo sea la capa 2, y que el grosor de cada uno sea y respectivamente. La capa 1 está en tensión con una fuerza hacia afuera en cada extremo de, mientras que la capa 2 se comprime con una fuerza hacia adentro en cada extremo de . Porque el sistema está en equilibrio. En cada extremo de la capa 1 hay un momento flector. , y de manera similar para la capa 2. Si es el radio de curvatura, entonces y dónde es la rigidez a la flexión ,es el módulo de Young yes el segundo momento del área . Para una sección transversal rectangular de ancho, y . La pareja producida por las fuerzas actuando a lo largo de las líneas medias de cada capa y separados por es , y nuevamente porque la tira está en equilibrio y no hay pares aplicados externos, . Por eso
Ahora consideramos la superficie de contacto entre las dos capas. La longitud de esta superficie para la capa 1 es dónde es la temperatura a la que la tira está recta, es la longitud de la capa cuando la temperatura (es decir, cuando está recto y sin tensión de la capa 2), y es el coeficiente de expansión térmica (el aumento fraccional de longitud por unidad de aumento de temperatura). El segundo término aquí es claramente el cambio fraccional de longitud producido por la expansión térmica, el tercer término es la deformación inducida por la tensión. debido a la fuerza actuando sobre el área del extremo (positivo porque la fuerza es de tracción). El último término es la longitud adicional de la superficie de contacto con respecto a la línea media de la capa 1 (positivo porque la superficie de contacto es la superficie exterior convexa). De manera similar, la longitud de esta superficie para la capa 2 es(signos menos porque la fuerza es compresiva y el contacto está en la superficie interna). Dado que las superficies están unidas,
Reorganizando para extraer , recolectando términos y eliminando el uso de la ecuación anterior produce la ecuación para en el artículo principal. |
Se puede obtener información si el resultado que se acaba de dar se multiplica arriba y abajo por
dónde , y . Desde Para pequeños , que es insensible a debido a la falta de términos de primer orden, entonces podemos aproximarnos por cerca de la unidad (e insensible a ), y por cerca de la unidad (e insensible a ). Por lo tanto, a menos que o están muy lejos de la unidad podemos aproximarnos .
Historia
La tira bimetálica más antigua que se conserva fue hecha por el relojero del siglo XVIII John Harrison, a quien generalmente se le atribuye su invención. Lo hizo para su tercer cronómetro marino (H3) de 1759 para compensar los cambios inducidos por la temperatura en el resorte de equilibrio . [4] No debe confundirse con el mecanismo bimetálico para corregir la expansión térmica en su péndulo de parrilla . Sus primeros ejemplos tenían dos tiras de metal individuales unidas por remaches, pero también inventó la técnica posterior de fundir directamente latón fundido sobre un sustrato de acero. Una tira de este tipo se colocó en su último cronometrador, H5. La invención de Harrison se reconoce en el monumento a él en la Abadía de Westminster , Inglaterra.
Aplicaciones
Este efecto se utiliza en una variedad de dispositivos mecánicos y eléctricos.
Relojes
Los mecanismos mecánicos del reloj son sensibles a los cambios de temperatura, ya que cada parte tiene una tolerancia mínima y conduce a errores en el mantenimiento del tiempo. Se utiliza una tira bimetálica para compensar este fenómeno en el mecanismo de algunos relojes. El método más común es utilizar una construcción bimetálica para el borde circular del volante . Lo que hace es mover un peso de forma radial mirando el plano circular hacia abajo por el volante, variando entonces, el momento de inercia del volante. A medida que el resorte que controla la balanza se debilita con el aumento de temperatura, la balanza se vuelve más pequeña en diámetro para disminuir el impulso de inercia y mantener constante el período de oscilación (y por lo tanto, el cronometraje).
Hoy en día este sistema ya no se utiliza desde la aparición de aleaciones de bajo coeficiente de temperatura como nivarox , parachrom y muchas otras dependiendo de cada marca.
Termostatos
En la regulación de la calefacción y la refrigeración se utilizan termostatos que operan en un amplio rango de temperaturas. En estos, un extremo de la tira bimetálica se fija mecánicamente y se une a una fuente de energía eléctrica, mientras que el otro extremo (móvil) lleva un contacto eléctrico. En los termostatos regulables se coloca otro contacto con un mando o palanca de regulación. La posición así ajustada controla la temperatura regulada, llamada punto de ajuste .
Algunos termostatos utilizan un interruptor de mercurio conectado a ambos cables eléctricos. El ángulo de todo el mecanismo es ajustable para controlar el punto de ajuste del termostato.
Dependiendo de la aplicación, una temperatura más alta puede abrir un contacto (como en el control de un calentador ) o puede cerrar un contacto (como en un refrigerador o aire acondicionado ).
Los contactos eléctricos pueden controlar la energía directamente (como en una plancha doméstica) o indirectamente, conmutando la energía eléctrica a través de un relé o el suministro de gas natural o fuel oil a través de una válvula operada eléctricamente. En algunos calentadores de gas natural, la energía se puede proporcionar con un termopar que se calienta con una luz piloto (una pequeña llama que se quema continuamente). En dispositivos sin luces piloto para encendido (como en la mayoría de las secadoras de ropa a gas modernas y algunos calentadores de gas natural y chimeneas decorativas), la energía para los contactos es proporcionada por energía eléctrica doméstica reducida que opera un relé que controla un encendedor electrónico, ya sea un calentador de resistencia o un dispositivo generador de chispas accionado eléctricamente .
Termómetros
Un termómetro de dial de indicación directa , común en los dispositivos domésticos (como un termómetro de patio o un termómetro para carne), utiliza una tira bimetálica envuelta en una bobina en su diseño más común. La bobina cambia el movimiento lineal de la expansión del metal en un movimiento circular gracias a la forma helicoidal que dibuja. Un extremo de la bobina se fija a la carcasa del dispositivo como un punto fijo y el otro impulsa una aguja indicadora dentro de un indicador circular. También se utiliza una tira bimetálica en un termómetro de registro . El termómetro de Breguet consta de una hélice trimetálica para tener un resultado más preciso.
Motor térmico
Los motores térmicos no son los más eficientes, y con el uso de bandas bimetálicas la eficiencia de los motores térmicos es aún menor ya que no hay cámara para contener el calor. Además, las tiras bimetálicas no pueden producir fuerza en sus movimientos, la razón es que para lograr flexiones (movimientos) razonables ambas tiras metálicas tienen que ser delgadas para que la diferencia entre la expansión sea notable. Por lo tanto, los usos de las tiras metálicas en motores térmicos se encuentran principalmente en juguetes simples que se han construido para demostrar cómo se puede usar el principio para impulsar un motor térmico . [ cita requerida ]
Aparatos eléctricos
Las tiras bimetálicas se utilizan en interruptores automáticos en miniatura para proteger los circuitos del exceso de corriente. Se utiliza una bobina de alambre para calentar una tira bimetálica, que se dobla y opera un enlace que desencadena un contacto accionado por resorte. Esto interrumpe el circuito y se puede reiniciar cuando la tira bimetálica se haya enfriado.
Tiras bimetálicas también se utilizan en relés de acción retardada, gas de horno de válvulas de seguridad, las luces intermitentes térmicos para mayores de señal de giro lámparas y arrancadores de lámparas fluorescentes . En algunos dispositivos, la corriente que corre directamente a través de la tira bimetálica es suficiente para calentarla y operar los contactos directamente. También se ha utilizado en reguladores de voltaje mecánicos PWM para usos automotrices. [5]
Ver también
- Interruptor de termotiempo
Referencias
- Artículo sobre la compensación del volante contra cambios de temperatura por la revista Hodinkee
- Artículo sobre la espiral utilizada en los relojes de la revista Monochrome
Notas
- ^ Sobel, Dava (1995). Longitud . Londres: cuarto poder. pag. 103. ISBN 0-00-721446-4.
Una de las invenciones que Harrison introdujo en H-3 ... se llama ... tira bimetálica.
- ^ Clyne, TW. "Tensiones residuales en recubrimientos superficiales y sus efectos sobre el despegado interfacial". Materiales de ingeniería clave (Suiza). Vol. 116-117, págs. 307-330. 1996
- ^ Timoshenko, J. Opt. Soc. Soy. 11, 233 (1925)
- ^ Sobel, Dava (1995). Longitud . Londres: cuarto poder. pag. 103. ISBN 0-00-721446-4.
Una de las invenciones que Harrison introdujo en H-3 ... se llama ... tira bimetálica.
- ^ https://www.minimania.com/Smiths_Voltage_Stabilizers
enlaces externos
- Video de un cable bimetálico circular que alimenta un pequeño motor con agua helada . Consultado en febrero de 2011.
- Video de un motor de alimentación de bobina bimétrica (entre otros como Curie, Stirling y Hero)