Qué es la banda bimetálica : Construcción y sus tipos

Todos los materiales metálicos del universo tienen sus propias propiedades, como las eléctricas, las mecánicas, las magnéticas, las químicas, las térmicas y las ópticas. En este artículo se explica una banda bimetálica que se basa en la propiedad de expansión térmica. Se suele observar en aplicaciones como una caja de hierro, calentadores, calderas, etc. Una banda bimetálica convierte la energía térmica en desplazamiento mecánico.

¿Qué es una banda bimetálica?

Definición: Una banda bimetálica funciona según el principio de la expansión térmica, que se define como el cambio de volumen del metal con el cambio de temperatura. La banda bimetálica funciona con dos fundamentos básicos de los metales.

• El primer fundamento es la expansión térmica, que establece que los metales se expanden o contraen en función de la variación de la temperatura
• El segundo fundamental es el coeficiente de temperatura, según el cual cada metal (que tiene su propio coeficiente de temperatura) se expande o contrae de forma diferente a una temperatura constante.

Propiedades de la cinta bimetálica

Algunas de las propiedades importantes de la banda bimetálica son

• Coeficiente de dilatación: Se define como el cambio en la propiedad física de un metal en respuesta al cambio de temperaturas, como la forma, el área y el volumen.
• Módulos de elasticidad: Se define como la relación entre la tensión y la deformación en una región de deformación elástica.
• Límite elástico al enfriar: 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 pasa a través del material.
• Ductilidad
• Capacidad metalúrgica.

Construcción de la cinta bimetálica

Una tira bimetálica se forma uniendo dos tiras finas de metales diferentes, normalmente de acero ( 12 * 10^-6 K^-1) & latón ( 18,7 * 10^-6 K^-1), o el cobre ( 16,6 * 10^-6 K^-1), donde un extremo de estos metales se fija mediante soldadura y el otro se deja libre. Al aplicar la temperatura a estos materiales, entonces comenzarán a cambiar su estado físico, ya sea expandiéndose o deformándose.

Se puede explicar en los dos casos siguientes,

Caso (i) Cuando la temperatura aumenta, permite que la tira se expanda hacia el metal con un valor menor del coeficiente de temperatura, que se puede observar en la figura siguiente.

Caso(ii) Cuando la temperatura disminuye, permite que la banda se expanda hacia el metal con un valor mayor del coeficiente de temperatura, como se muestra a continuación.

A partir de esto, podemos entender que la

Rango de desviación = metal utilizado

Deflexión del metal = (longitud de la banda + variación de la temperatura)/espesor de la banda

Representación matemática

Considera dos metales como A y B a dos temperaturas diferentes "T1" y "T2". El radio de curvatura de la banda bimetálica puede determinarse 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 banda bimetálica

n = E_A / E_B= relación de elasticidad de dos metales

m = t1 / t2 = ( Espesor inferior - expansión del metal) / (Espesor superior - expansión del metal)

α' _A, α' _B = Coeficiente térmico de dilatación del metal A y B

T₁= temperatura inicial

T₂= Temperatura final.

La ecuación para la flexión de la banda metálica hacia el metal con coeficiente de baja temperatura viene dada por

r = 2 t / [ 6 * (α _A – α _B) (T₂ -T₁)] ...............(2)

En la práctica, la relación entre los módulos de elasticidad de los metales y su grosor debe mantenerse igual para que el metal recupere su posición normal cuando cambie la temperatura aplicada. Si el grosor del metal es t/2, entonces

[r + (t/2)]/r = Longitud expandida de la banda expandida A/Longitud expandida de la banda expandida B

= L [1 + α _A (T₂ -T₁)] / L [1 + α _B (T₂ -T₁)]

= t/2 [ [1 + α _B (T₂ -T₁)] / [ ( α _A – α _B) (T₂ -T₁)] ]

r = t / [2 α _A (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 se contrae al variar la temperatura. Este tipo de principio suele observarse en los termómetros de baja sensibilidad.

Tipos de tiras bimetálicas

Las tiras bimetálicas están disponibles en dos tipos, que son

Tipo de tira en espiral

Consiste en una estructura en forma de espiral a la que se acopla un puntero que sirve para escalar la temperatura. Cuando esta estructura de muelle se calienta, los metales presentan la propiedad de expansión térmica y se deforma cuando hay un descenso de la temperatura. En este momento, el puntero registra la temperatura en la escala. Este tipo de termómetros se suele utilizar para registrar la temperatura ambiente.

Tipo helicoidal

Consiste en una estructura de tipo helicoidal cuyo funcionamiento es similar al de la tira bimetálica. El extremo libre de la tira está conectado a un puntero. Cuando la tira se calienta, experimenta la propiedad de expansión térmica y se contrae al enfriarse. En este momento, el puntero registra la lectura de la temperatura. Normalmente, este tipo de termómetros se utiliza en aplicaciones industriales.

Ventajas

Las ventajas de la cinta bimetálica son las siguientes

• No se necesita una fuente de alimentación externa
• De uso sencillo y robusto
• Menos coste
• Proporciona una precisión de entre ± 2 y 5 %

Desventajas

Las desventajas de la cinta bimetálica son las siguientes

• Pueden medir hasta 4000 C
• La calidad del metal cambia con el uso regular, lo que puede provocar un error en la medición.
• A baja temperatura, la sensibilidad y la precisión no están a la altura.

Aplicaciones de la cinta bimetálica

Las aplicaciones de la cinta bimetálica son las siguientes

Preguntas frecuentes

1). ¿Qué dispositivos utilizan una tira bimetálica?

Una tira bimetálica se utiliza en dispositivos como la alarma de incendios, los ventiladores, etc.

2). ¿Qué ocurre cuando se calienta una tira bimetálica?

• Cuando se calienta una tira bimetálica, los metales se expanden o se deforman en función de sus propiedades de coeficiente térmico.
• Caso 1: Con el aumento de la temperatura hace que la banda se expanda hacia el metal con menor valor de coeficiente térmico, lo que se puede observar en la figura siguiente y
• Caso 2: Con la disminución de la temperatura hace que la tira se expanda hacia el metal con un valor más alto del coeficiente de temperatura, como se observa en la figura de abajo.

3). ¿Se utiliza la banda bimetálica en los ventiladores?

Sí, se utilizan en los 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 puede utilizarse en el termostato. Ya que tienen una diferencia insignificante en su propiedad de expansión térmica.

Por tanto, se trata de una visión general de una tira bimetálica que funciona con dos elementos fundamentales: la expansión térmica y el coeficiente de temperatura. Suele ser un dispositivo termométrico que mide la temperatura. Está formado por dos tiras metálicas diferentes, en las que ambas están soldadas y uno de sus extremos está fijado y el otro libre. Estos metales se expanden o deforman a distintas temperaturas. Están disponibles en dos formas: helicoidal y en espiral. El termómetro de tira bimetálica helicoidal se utiliza en áreas industriales, y el termómetro bimetálico en espiral se utiliza en áreas menos sensibles. La principal ventaja es que proporciona una precisión de entre ± 2 y 5 %. He aquí una pregunta para ti, ¿cuál es la función de la tira bimetálica?