Биметаллическая пластина и тепловое расширение
⚡ Физика · 8 класс
Тепловое расширение и биметалл
При нагревании почти все тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Причина в том, что при нагреве частицы начинают колебаться сильнее и в среднем удаляются друг от друга, поэтому тело немного увеличивается в размерах. Важно, что разные вещества расширяются по-разному: при одинаковом нагреве один металл удлиняется заметно больше, другой меньше. На этом и основана биметаллическая пластина — две тонкие полоски из разных металлов, прочно скреплённые между собой по всей длине.
Как работает пластина
Пока пластина холодная, обе полоски имеют одинаковую длину, и пластина остаётся прямой. При нагревании металл с большим расширением удлиняется сильнее, но оторваться от соседа не может — они скреплены. В результате пластина изгибается дугой в сторону менее расширяющегося металла. При охлаждении длины снова выравниваются, и пластина выпрямляется. Так нагрев и охлаждение превращаются в механическое движение конца пластины.
| Состояние | Что происходит | Результат |
|---|---|---|
| Холодная | оба слоя одинаковой длины | пластина прямая |
| Нагрета | один слой длиннее другого | пластина изгибается дугой |
| Остыла | длины снова равны | пластина выпрямляется |
Где применяют
Биметаллическую пластину используют в термостатах и термореле — устройствах, которые сами включают и выключают ток в зависимости от температуры. Изгибаясь при нагреве, пластина замыкает или размыкает электрический контакт. Когда нужная температура достигнута, контакт размыкается и нагрев прекращается; как только устройство остынет, пластина выпрямляется и снова включает ток.
Утюг нагрелся -> пластина изогнулась -> контакт разомкнулся -> ток выключен -> утюг остыл -> пластина выпрямилась -> контакт замкнулся -> нагрев снова включён.По такому принципу работают терморегуляторы в электроутюгах, чайниках, обогревателях и холодильниках. Биметаллическую пластину применяют и в автоматических выключателях, которые отключают цепь при перегреве от слишком большого тока, защищая проводку от пожара. Раньше такие пластины ставили и в мигающие лампочки гирлянд.
Расширение в технике
Тепловое расширение учитывают не только в биметалле. Между рельсами оставляют зазоры, чтобы летом они не выгибались; в мостах делают подвижные опоры; провода линий электропередач летом провисают сильнее. Везде, где материал нагревается, инженеры закладывают запас на его расширение.
Частая ошибка: считать, что пластина изгибается в сторону более «горячего» металла. На самом деле изгиб всегда направлен в сторону металла, который расширяется меньше — именно его сторона оказывается с внутренней стороны дуги.
Кратко о главном
- Разные металлы расширяются при нагреве неодинаково.
- Биметалл из двух таких металлов изгибается при нагревании.
- Изгиб направлен в сторону меньше расширяющегося слоя.
- Пластину применяют в термостатах, реле и автоматических выключателях.