Una tira bimetálica o banda bimetálica es una tira que consta de dos tiras de metales diferentes que se expanden a diferentes velocidades cuando se calientan. Se utilizan para convertir un cambio de temperatura en un desplazamiento mecánico. Las diferentes expansiones obligan a la tira plana a doblarse en un sentido 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 la 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 en su honor en la Abadía de Westminster , Inglaterra.
La tira está formada por dos tiras de metales diferentes que se expanden a diferentes velocidades cuando se calientan, normalmente acero y cobre , o en algunos casos acero y latón . Las tiras se unen entre sí en toda su longitud mediante remaches , soldadura fuerte o soldadura . Las diferentes expansiones obligan a la tira plana a doblarse en un sentido 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 otras, se enrolla en una bobina para que sea más compacta. La mayor longitud de la versión enrollada proporciona una sensibilidad mejorada.
El radio de curvatura de una tira bimetálica depende de la temperatura según la fórmula derivada por el físico francés Yvon Villarceau en 1863 en su investigación para mejorar la precisión de los relojes: [2]
donde es el espesor total del bimetal y es un coeficiente adimensional. Para cada tira metálica: es el módulo de Young, es el coeficiente de expansión térmica y es el espesor. La fórmula también se puede reescribir como una función de la deformación por desajuste térmico . Y si el módulo y la altura son similares, simplemente tenemos .
Se puede derivar una fórmula equivalente a partir de la teoría de vigas . [3] [4]
La tira bimetálica más antigua que se conserva fue fabricada por el relojero del siglo XVIII John Harrison, a quien generalmente se le atribuye su invención. La fabricó para su tercer cronómetro marino (H3) de 1759 para compensar los cambios inducidos por la temperatura en el resorte de equilibrio . [5] No debe confundirse con el mecanismo bimetálico para corregir la expansión térmica en su péndulo de rejilla . Sus primeros ejemplos tenían dos tiras de metal individuales unidas por remaches, pero también inventó la técnica posterior de fusionar directamente latón fundido sobre un sustrato de acero. Una tira de este tipo se colocó en su último cronómetro, H5. La invención de Harrison se reconoce en el monumento a él en la Abadía de Westminster , Inglaterra.
Los metales que intervienen en una tira bimetálica pueden variar en composición siempre que sus coeficientes de expansión térmica difieran. El metal con menor coeficiente de expansión térmica a veces se denomina metal pasivo, mientras que el otro se denomina metal activo. El cobre, el acero, el latón, el hierro y el níquel son metales comúnmente utilizados en tiras bimetálicas. [6] También se han utilizado aleaciones de metales en tiras bimetálicas, como el invar y el constantán . La selección del material tiene un impacto significativo en el rango de temperatura de trabajo de una tira bimetálica, ya que algunas tienen un límite de temperatura de hasta 500 °C, mientras que otras solo alcanzan los 150 °C antes de fallar. [7] [8]
Este efecto se utiliza en una variedad de dispositivos mecánicos y eléctricos.
Los mecanismos mecánicos de los relojes son sensibles a los cambios de temperatura, ya que cada pieza tiene una tolerancia minúscula, lo que provoca errores en la medición del tiempo. Para compensar este fenómeno en el mecanismo de algunos relojes se utiliza una tira bimetálica. 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 hacia el plano circular hacia abajo junto al volante, variando así el momento de inercia del volante. A medida que el resorte que controla el volante se debilita con el aumento de la temperatura, el volante se hace más pequeño en diámetro para disminuir el momento de inercia y mantener constante el período de oscilación (y, por lo tanto, la medición del tiempo).
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.
En la regulación de la calefacción y la refrigeración se utilizan termostatos que funcionan en un amplio rango de temperaturas. En estos, un extremo de la tira bimetálica está fijado mecánicamente y unido 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 una perilla o palanca reguladora. La posición así establecida controla la temperatura regulada, denominada 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 un control de 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 combustible a través de una válvula operada eléctricamente. En algunos calentadores de gas natural, la energía puede ser proporcionada con un termopar que se calienta mediante una llama piloto (una pequeña llama que arde continuamente). En dispositivos sin luces piloto para el 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 la 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 alimentado eléctricamente .
Un termómetro de cuadrante de indicación directa , común en los aparatos 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 está fijado a la carcasa del dispositivo como punto fijo y el otro impulsa una aguja indicadora dentro de un indicador circular. Una tira bimetálica también se utiliza en un termómetro de registro . El termómetro de Breguet consta de una hélice trimetálica para tener un resultado más preciso.
Los motores térmicos no son los más eficientes, y con el uso de tiras bimetálicas la eficiencia del motor térmico es aún menor ya que no hay una 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 las expansiones sea notable. Por lo tanto, los usos de las tiras metálicas en los motores térmicos se encuentran principalmente en juguetes simples que se han construido para demostrar cómo se puede utilizar el principio para impulsar un motor térmico . [ cita requerida ]
Las tiras bimetálicas se utilizan en disyuntores en miniatura para proteger los circuitos de corrientes excesivas. Se utiliza una bobina de cable para calentar una tira bimetálica, que se dobla y hace funcionar un mecanismo que desbloquea un contacto accionado por resorte. Esto interrumpe el circuito y se puede restablecer cuando la tira bimetálica se ha enfriado.
Las tiras bimetálicas también se utilizan en relés de retardo de tiempo, válvulas de seguridad de hornos de gas , luces intermitentes térmicas para lámparas de señal de giro antiguas y arrancadores de lámparas fluorescentes . En algunos dispositivos, la corriente que circula directamente a través de la tira bimetálica es suficiente para calentarla y hacer funcionar los contactos directamente. También se ha utilizado en reguladores de voltaje mecánicos PWM para usos automotrices. [9]
Uno de los inventos que Harrison introdujo en H-3... se llama... tira bimetálica.
Uno de los inventos que Harrison introdujo en H-3... se llama... tira bimetálica.
