维基百科:台湾教育专案/台大物理系服务学习/112-1/双金属条
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双金属条是由两种受一定热而膨胀程度不同的金属所组成的。它们可以将温度变化转换成机械上的位移：金属不同的膨胀率使原本平直的金属条受热时往一定方向弯曲，而受到比原先更低的温度时则往另一个方向弯。热膨胀系数大的金属受热时在弯曲金属条的外部，遇冷时则在内侧。
双金属条一般被认为是由约翰·哈里森发明的，这位十八世纪的钟表匠为了他在 1759 年所做的第三个航海钟 H3 中，游丝 会受到温度影响的问题而做出了双金属条。[1]哈里森的发明在其于英国西敏寺的纪念碑上得到了肯定。
性质 编辑
双金属条具有两条受热时以不同比例膨胀的金属，通常是钢跟铜或有时候是钢跟黄铜，并利用铆钉、硬焊 或焊接将两条金属沿着他们的全长接在一起。不同的膨胀程度使得原本平直的金属条受热时和降温分别往不同的方向弯曲。具有较大热膨胀系数的金属在受热弯曲时的外侧，而在降温弯曲时的内侧。双金属条的侧向位移远大于两个个别金属条在受同样温度变化时的长度增长。
在实际应用中，双金属条可以作为平的一条被使用，或被卷成一卷以节省空间。双金属卷摊开后更长的总长使它们更敏感。
双金属条的曲率半径 取决于温度 ，遵循法国物理学家 Yvon Villarceau 在 1863 年增加时钟的准确度的研究 [2] 中推导的公式：
- ,
其中 是金属条的总厚度，而 是一个无度因次常数。对每条金属， 是其杨氏模数， 是热膨胀系数，而 是其厚度。整个式子可以被重写成热造成的失配应变的函数： ，而如果两个金属条的模数和厚度接近，可以简化为 。
历史 编辑
目前存留最早的双金属条是由十八世纪的钟表匠约翰·哈里森制造的，而他一般被认为是它的发明者。 这位十八世纪的钟表匠为了他在 1759 年所做的第三个航海钟 H3 中，游丝 会受到温度影响的问题而做出了双金属条。[5]容易被混淆但与此不同的是在他的栅形补偿摆（Gridiron Pendulum）中所使用的双金属构造，使用两种金属是为了在不同温度下保持摆长不变。
他所做最早的样本中使用铆钉接起两条独立的金属条，但他也在之后发明了直接将熔融的黄铜熔接到钢质基板的技术。这种类型的金属条被用在他最后的时计， H5 中。哈里森的发明在其于英国西敏寺的纪念碑上得到了肯定。
组成 编辑
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应用 编辑
双金属条的效应备用于许多种类的机械与电气设备。
时钟 编辑
机械clock因为其中的各个部件只能接受很少的公差，而容易受到温度影响，造成计时功能上的误差。双金属条在一些计时设备中被用于补偿这种现象。最常见的做法是使用双金属结构构成平衡轮（balance wheel）的外缘，其会在径向移动一个配重，借此改变平衡轮的转动惯量。在温度上升时，控制平衡轮的弹簧便弱，而配重靠近平衡轮，降低转动惯量来保持振荡的周期和时间的准确。
因为如 Nivarox, Parachrom 这些具有低温度系数的合金的出现，这个系统已经不再被使用了。
调温器 编辑
为了能控制暖气和冷气，自动调温器具有相当大的工作温度范围。在其中，双金属条的一端固定并连接到电源，而另一端可动而具有接点。可调式的调温器中另一个接点的位置由一根控制杆或旋钮控制，这个位置决定了所设定的温度。
有些调温器使用 水银开关 连接两端的接脚，而整个机构的倾斜角度可以用来控制调温器的设定温度。
取决于具体应用，温度达到一定高度可能会切断一些连接（例如控制暖气时），或接通其他接点（如冰箱或冷气）。
这些电子接点可能直接控制电力是否接通（例如在家用的熨斗中），或间接借由继电器控制，或利用电动阀控制天然气、燃油的供应。在一些天然气暖炉中，这个电力可能由一个热电偶提供，其受到母火的热提供能量。在不具有长明火的装置（例如较新的天然气烘衣机或一些装饰用火炉）中，接点的电力由家庭用电而来驱动继电器，继电器控制电子点火器，例如电阻式加热器或火花间隙装置。
温度计 编辑
直接指示刻度盘式温度计，在家用设备中常见，常在设计中使用双金属卷，其一端被固定在装置的壳上，而另一端接连结表盘的指针。 双金属条也被用在类比式的 温度记录器中。Breguet's thermometer 使用三种金属的螺旋来得到更精确的结果。
热机 编辑
热机的效率本来就不是很高，而没有一个保持热能的腔室，使使用双金属条的热机效率只会更糟。而且，为了双金属条能达到相当的弯曲程度，金属条必须很薄，这使双金属条弯曲的力道更加不足。因此利用双金属条驱动的热机主要只有被在简单的玩具中用于展示这个原理。[来源请求]
电气设备 编辑
双金属条在小型的断路器中被用于保护电路免受过电流损害。电线线圈加热双金属条，使其弯曲而联动使弹簧分开金属接点中断电路，并在双金属条冷却后可以被重设。
双金属条也被用在延时继电器、气炉安全阀、会闪烁的老式方向灯及萤光灯中。部分装置中，流过双金属条的电流便足以加热它使它在一定时间后形成断路。双金属条也被用在车用的机械式脉冲宽度调变电压稳压器中。[6]
参考文献 编辑
脚注 编辑
- ^ Sobel, Dava. Longitude. London: Fourth Estate. 1995: 103. ISBN 0-00-721446-4.
One of the inventions Harrison introduced in H-3... is called... a bi-metallic strip.
- ^ Yvon Villarceau, A.-J. Recherches sur le mouvement et la compensation des chronomètres. Annales de l'Observatoire impérial de Paris, Tome VII. 1863: 88.
- ^ Clyne, TW. "Residual stresses in surface coatings and their effects on interfacial debonding." Key Engineering Materials (Switzerland). Vol. 116–117, pp. 307–330. 1996
- ^ Timoshenko, J. Opt. Soc. Am. 11, 233 (1925)
- ^ Sobel, Dava. Longitude. London: Fourth Estate. 1995: 103. ISBN 0-00-721446-4.
One of the inventions Harrison introduced in H-3... is called... a bi-metallic strip.
- ^ Smiths Voltage Stabilizers - REVISED.