نوار دوفلزه: یک آچارِ حرارتی هوشمند
از انبساط حرارتی تا خمیدگی: اصول پایه
تقریباً همهٔ مواد وقتی گرم میشوند، منبسط و وقتی سرد میشوند، منقبض میگردند. به این پدیده، انبساط حرارتی میگویند. اما همهٔ مواد به یک اندازه منبسط نمیشوند. فلز آهن و فلز مس را در نظر بگیرید. اگر دو میلهٔ کاملاً همطول از این دو فلز داشته باشیم و هر دو را به یک میزان گرم کنیم، میلهٔ مس بیشتر از میلهٔ آهن طولش افزایش مییابد.
حالا تصور کنید این دو میله (یا دو ورق) را به طور محکم و در تمام طول به هم چسبانده یا پرچ کنیم تا یک نوار دو لایه تشکیل شود. حالا اگر این نوار ترکیبی را گرم کنیم چه اتفاقی میافتد؟ فلزی که ضریب انبساط طولی بیشتری دارد (مثلاً مس) میخواهد بیشتر از فلز دیگر (مثلاً آهن) طولش افزایش یابد. اما چون این دو لایه محکم به هم متصل هستند، اجازهٔ کشش آزاد را به یکدیگر نمیدهند. در نتیجه، لایهای که انبساط بیشتری دارد (مس) تحت تنش فشاری و لایهای که کمتر منبسط میشود (آهن) تحت تنش کششی قرار میگیرد. این تنشهای مخالف باعث میشوند کل نوار به سمت فلزی که انبساط کمتری دارد خم شود.
اندازهگیری میزان انبساط خطی یک ماده با کمیتی به نام ضریب انبساط خطی ($\alpha$) صورت میگیرد. واحد آن معکوس کلوین ($K^{-1}$) است. فرمول محاسبهٔ تغییر طول یک جسم با تغییر دما به صورت زیر است:
در این فرمول:
$\Delta L$: تغییر طول (متر)
$L_0$: طول اولیه (متر)
$\alpha$: ضریب انبساط خطی ماده ($K^{-1}$)
$\Delta T$: تغییر دما (کلوین یا سلسیوس)
| نام فلز | نماد شیمیایی | ضریب انبساط خطی (α) بر حسب $\times 10^{-6} K^{-1}$ | کاربرد معمول در نوار دوفلزه |
|---|---|---|---|
| اینوار3 | Fe-Ni آلیاژ | ~1.2 | لایهٔ کمانبساط (مورد استفاده در ابزار دقیق) |
| فولاد | Fe-C آلیاژ | ~11 | لایهٔ کمانبساط |
| مس | Cu | ~17 | لایهٔ پرانبساط |
| برنج | Cu-Zn آلیاژ | ~19 | لایهٔ پرانبساط |
| آلومینیوم | Al | ~23 | لایهٔ پرانبساط |
دنیای کاربردها: از آشپزخانه تا صنعت
این تغییر شکل ساده (خم شدن) که کاملاً قابل پیشبینی و تکرارپذیر است، باعث شده نوار دوفلزه به یک سنسور و کلید مکانیکی ارزان، قابل اعتماد و بدون نیاز به باتری تبدیل شود. بیایید به برخی از این کاربردها نگاهی بیندازیم:
۱. کنترلگر دما (ترموستات): رایجترین کاربرد نوار دوفلزه است. در ترموستاتهای مکانیکی قدیمی اتاق، یک نوار دوفلزه حلقهای شکل وجود دارد. با کاهش دمای اتاق، نوار خم میشود و یک کنتاکت الکتریکی را میبندد تا مدار گرمایش روشن شود. با گرم شدن دوبارهٔ اتاق، نوار در جهت مخالف خم شده و کنتاکت را باز میکند و گرمایش را خاموش میکند. این چرخه مدام تکرار میشود.
۲. محافظ حرارتی: در بسیاری از دستگاههای برقی مانند سماور، اتو، توستر و سشوار، یک نوار دوفلزه به عنوان کلید ایمنی به کار رفته است. فرض کنید فن سشوار خراب شود. هوا خنککننده جریان ندارد و دمای داخلی به سرعت بالا میرود. نوار دوفلزه در مسیر جریان برق قرار دارد و با گرمای بیش از حد، خم شده و مدار را کاملاً قطع میکند تا از آتشسوزی جلوگیری شود. این یک مثال عینی از حفاظت الکتریکی است.
۳. نشانگر دمای عقربهای: در دماسنجهای عقربهای ارزان قیمت (مثلاً برای اندازهگیری دمای بیرون یا داخل یخچال)، یک نوار دوفلزه مارپیچ یا حلزونی شکل وجود دارد. با تغییر دما، انبساط متفاوت فلزات باعث باز یا جمع شدن این مارپیچ میشود. این حرکت به یک عقربه متصل است و آن را روی درجهبندی حرکت میدهد.
۴. صنعت برق و الکترونیک: در رلههای حرارتی از نوار دوفلزه برای حفاظت از موتورهای الکتریکی در برابر جریان اضافی استفاده میشود. عبور جریان بیش از حد از یک رسانا (که بخشی از مدار رله است) آن را گرم میکند. این گرما به نوار دوفلزه منتقل شده و باعث خم شدن و قطع مدار قدرت موتور میگردد. این یک کاربرد مهم در حفاظت صنعتی است.
عوامل مؤثر بر عملکرد نوار دوفلزه
میزان خمیدگی یک نوار دوفلزه به عوامل مختلفی بستگی دارد. آشنایی با این عوامل به ما کمک میکند برای کاربردهای مختلف، نوار مناسب را طراحی یا انتخاب کنیم.
| عامل | تأثیر | توضیح |
|---|---|---|
| اختلاف ضریب انبساط (Δα) | مستقیم | هر چه تفاوت $\alpha_1 - \alpha_2$ بیشتر باشد، خمیدگی برای یک تغییر دمای مشخص بیشتر است. |
| تغییر دما (ΔT) | مستقیم | خمیدگی با اختلاف دمای اعمال شده نسبت خطی دارد (در محدودهٔ کشسان). |
| طول نوار (L) | مستقیم | نوارهای بلندتر، برای همان ΔT، انحراف نوک بیشتری دارند. |
| ضخامت کل (t) | معکوس | نوارهای ضخیمتر سفتترند و برای یک ΔT، کمتر خم میشوند. |
| نسبت ضخامت لایهها | بهینه دارد | برای حداکثر خمیدگی، ضخامت دو لایه باید به گونهای انتخاب شود که گشتاور خمشی حداکثر شود. |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، برعکس هم عمل میکند. اگر نوار دوفلزه را از دمای معمولی سرد کنیم، لایهای که ضریب انبساط بیشتری دارد (مثلاً مس)، نسبت به لایهٔ دیگر (مثلاً آهن) بیشتر منقبض میشود. در نتیجه نوار به سمت فلز پرانبساط (مس) خم میشود. یعنی جهت خمش در گرمایش و سرمایش کاملاً معکوس است.
پاسخ: این اشتباه است. جهت خمش به عملکرد حرارتی بستگی دارد. قاعدهٔ درست این است: نوار همیشه به سمت فلزی خم میشود که ضریب انبساط طولی کوچکتری دارد. بنابراین هنگام گرمایش، خمش به سمت فلز کمانبساط و هنگام سرمایش، خمش به سمت فلز پرانبساط است.
پاسخ: شکل مارپیچ یا حلزونی باعث میشود یک تغییر طول کوچک ناشی از انبساط حرارتی، به یک چرخش زاویهای قابل توجه در مرکز مارپیچ تبدیل شود. این چرخش میتواند یک عقربه را روی صفحهدرجهبندی شده به خوبی حرکت دهد. در واقع، شکل مارپیچ حساسیت دستگاه را افزایش میدهد.
پاورقی
1 نوار دوفلزه (Bi-Metal Strip): نواری متشکل از دو لایه فلزی متفاوت که به هم متصل شدهاند و در اثر تغییر دما به دلیل ضریب انبساط حرارتی متفاوت، خم میشوند.
2 ضریب انبساط طولی (Coefficient of Linear Thermal Expansion): کمیتی که نشان میدهد به ازای افزایش یک درجه کلوین (یا سلسیوس)، طول یک ماده چه نسبتی از طول اولیهاش افزایش مییابد.
3 اینوار (Invar): آلیاژی از آهن و نیکل با حدود ۳۶٪ نیکل که ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد.
