Das Bimetall
Schlagwörter: Bimetall, Bimetall Streifen, Längenausdehnung, Temperatur, Temperaturänderung, Längenausdehnungskoeffizient, Wärme, Erwärmung, elektrischer Kontakt, Schalter, Metall, verschiedene Metalle
Ein Bimetall-Streifen besteht, wie der Name schon sagt, aus zwei Metallen. Diese beiden Metalle sind fest miteinander verbunden. Wenn sich die Temperatur ändert, dann biegt sich der Streifen. Diese Eigenschaft der Bimetall-Streifen können wir vielfältig nutzen. Bimetalle werden z.B. als Thermoschalter und Bimetall Thermometer eingesetzt.
Wie funktioniert ein Bimetall?
Bei jeder Temperaturänderung ändert sich auch das Volumen eines Stoffes und damit seine Länge. Je wärmer ein Stoff wird, desto größer ist das Volumen. (Ausnahme Wasser – Anomalie)
Ein Bimetall-Streifen besteht aus zwei verschiedenen Materialien, die sich unterschiedlich stark ausdehnen. (vgl. Tabelle) Wir gehen in der folgenden Grafik ►01 davon aus, dass sich der untere Streifen stärker ausdehnt.
Solange die Streifen getrennt sind, beobachten wir, was wir erwartet hatten. Der untere Streifen dehnt sich stärker aus. Wenn die Streifen aber fest miteinander verbunden sind, dann können sich die Streifen nicht geradlinig ausdehnen.
Du kannst das mit dem Laufen in einer Kurve vergleichen. Die äußere Bahn ist dabei länger als die innere Bahn.
Beispiel: Ihr lauft auf einer Kreisbahn. Wenn du und dein Laufpartner zur gleichen Zeit starten und ankommen wollt, du aber schneller bist als dein Laufpartner, dann musst du eine längere Strecke laufen. Ihr werdet also auf einer Kreisbahn laufen, wobei du eine äußere Bahn nutzt.
Anwendung Bimetall-Streifen - Bügeleisen
Im Bügeleisen finden wir ein Bimetall-Streifen als Schutzschalter gegen Überhitzung. Bei Erwärmung dehnt sich der obere Streifen (orange) stärker aus als der untere Streifen. ►02
Wenn das Bügeleisen zu heiß wird, dann biegt sich der Bimetall-Streifen nach unten. Der Stromkreis wird unterbrochen. Kühlt sich das Bügeleisen ab, dann biegt sich der Streifen wieder nach oben. Der Stromkreis schließt sich. Über den Temperatur-Regler kann der obere Kontakt verstellt werden. Wird die Schraube des Temperaturreglers nach unten gedreht, dann ist der Schalter früher geschlossen. Das Bügeleisen kann also mehr heizen.
Der Streifen, der sich bei Erwärmung stärker ausdehnt, zieht sich bei Abkühlung auch stärker zusammen.
Welche Materialien eignen sich?
Um diese Frage zu klären, schauen wir uns die Tabelle mit den Längenausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien an. Die folgenden Tabellen zeigen die Längenänderungen verschiedener Stoffe in Abhängigkeit von der Temperaturänderung.
α wird in der Tabelle in zwei verschiedenen Einheiten angegeben. Die Beispielrechnungen unter der Tabelle zeigt, wie mit dem Längenausdehnungskoeffizient gearbeitet werden kann.
Beispiel
Ein 5 m langer Stab aus Aluminium wird von 20°C auf 80°C erwärmt. Um welche Länge dehnt sich der Stab aus?
{\large \begin{array}{l}\text{l}=5\,\text{m}\,;\,\,\Delta T=60\,\text{K}\\\alpha =23,1\cdot {{10}^{-6}}\,\frac{1}{\text{K}}\end{array}}
{\large \begin{array}{l}\Delta l=l\cdot \Delta T\cdot \alpha \\\Delta l=5\,m\cdot 60\,K\cdot \frac{23,1}{{{10}^{6}}\,K}\\\\\Delta l=\frac{5\,m\cdot 60\,K\cdot 23,1}{1.000.000\,K}\\\\\Delta l=9,9\cdot {{10}^{-3}}m\,=\,9,9\,mm\end{array} }
{\large \begin{array}{l}\text{l}=5\,\text{m}\,;\,\,\Delta T=60\,\text{K}\\\alpha =0,0231\frac{mm}{{m\cdot K}}\end{array}}
{\large \displaystyle \begin{array}{l}\Delta l=l\cdot \Delta T\cdot \alpha \\\Delta l=5\,m\cdot 60\,K\cdot 0,0231\,\frac{mm}{m\cdot K}\\\\\Delta l=6,93\,\frac{m\cdot K\cdot mm}{m\cdot K}\\\Delta l=9,9\,mm\end{array} }
Der Stab wird sich um 9,9 mm bzw. knapp 1cm ausdehnen.
Stahl und Beton haben einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten. Bei Temperaturänderung dehnen sich beide Stoffe fast gleich stark aus.
Der Längenausdehnungskoeffizient von Aluminium ist fast doppelt so groß. Würden wir statt Stahl Aluminium verwenden, dann würde sich das Aluminium bei Erwärmung doppelt so stark ausdehnen wir der Beton. Der Beton würde reißen.
Weitere Anwendungen
Das Bimetall- Thermometer
Neben den oben beschriebenen Bimetall Schaltern, können Bimetalle auch zur Temperaturmessung genutzt werden.
Das „Herzstück“ des Bimetall-Thermometers ist ein Bimetall-Streifen, der zu einer Spirale aufgewickelt ist. ►04
Der Streifen ist an der Außenseite fixiert. Wenn es wärmer wird, dann dehnt sich der äußere Streifen stärker aus. Die Spirale dreht sich weiter ein. Der an der Innenseite fixierte Zeiger wird sich im Uhrzeigersinn in Richtung der höheren Temperaturen bewegen.
