نوارهای دو فلزه و کاربرد آنها

تغییر در هر یک از ابعاد خطی جسم جامد مانند طول، عرض و ارتفاع را انبساط طولی می نامیم.

شما انبساط و آثار ناشی از آن را بارها در زندگی خود مشاهده کرده اید. مثلا دیده اید که اگر در یک ظرف شیشه ای محکم باشد معمولا برای باز کردن در ظرف روی آن آب گرم می ریزند؛ یا حتما دیده اید معمولا در پل ها شکاف هایی تعبیه شده است و نیز در لوله کشی گاز ها معمولا محل نصب کنتور گاز به صورت U شکل است و ...

همه این موارد مربوط به انبساط اجسام می باشد. ما می توانیم با در نظر گرفتن یک مدل بسیار ساده انبساط اجسام را توجیه کنیم. اتم ها توسط نیروهایی که منشاء الکتریکی دارند در کنار هم می مانند و این نیرو ها همانند فنر اتم ها را به هم متصل کرده است. اتم های جسم جامد در هر دمایی در حال نوسان هستند و با افزایش دما، دامنه ارتعاشی آنها زیاد شده و همین امر باعث انبساط جسم جامد می شود.

اگر تغییر بُعدهای جسم جامد در اثر افزایش دما را در یک بعد منحصر کنیم انبساط طولی را بررسی کرده ایم. انبساط طولی جسم جامد به موارد زیر بستگی دارد:

$L_{1}$ طول اولیه جسم جامد

$\Delta T$ میزان تغییر دما

$\alpha$ ضریب انبساط طولی جسم جامد

و برای محاسبه تغییر طول ناشی از تغییر دما رابطه زیر قابل استفاده است:

$\Delta L=L_{1} \alpha \Delta T$

ضریب انبساط طولی یک جسم جامد ضریب ثابتی است که به صورت افزایش طول واحد طول جسم جامد به ازای افزایش دمای یک درجه کلوین تعریف می گردد و بستگی به جنس ماده داشته و یکای آن $\frac{1}{K}$ یا $\frac{1}{^{o}c}$ است.

مواردی که مطرح گردید اساس کار دماسنج های نواری دو فلزه و دماپاهایی است که به عنوان رله الکتریکی در مدارها کاربرد دارند.

دو نوار فلزی را در نظر بگیرید که دارای طول یکسان بوده ولی ضریب انبساط طولی متفاوت دارند؛ اگر این دو نوار فلزی را کاملا به هم جوش دهیم نوار دوفلزه ای را ساخته ایم که اگر گرم شود یکی از فلزات به دلیل اینکه ضریب انبساط طولی بزرگتری دارد بیشتر از دیگری منبسط می شود و باعث خم شدن نوار می گردد.

حال اگر این نوار را در مدار الکتریکی مورد استفاده قرار دهیم به طوری که هنگام گرم شدن، خم شده و باعث قطع مدار گردد یک ترموستات یا دماپای ساده ساخته ایم.

نحوه کار با شبیه ساز

ابتدا با دکمه های نارنجی و خاکستری زیر سه‌پایه تعیین نمایید می خواهید ماده با ضریب انبساط طولی بزرگتر بالای نوار باشد یا زیر نوار (ضریب انبساط طولی ورقه نارنجی از خاکستری بیشتر است.) سپس با انتحاب دکمه رنگارنگ چراغ الکلی روشن شده و به نوار دوفلزه به صورت یکنواخت گرما می دهد. در این حین می توانید متوجه خم شدن تیغه به سمت بالا یا پایین شوید. برای توقف آزمایش و سرد کردن تیغه می توانید روی دکمه آبی کلیک کنید.

برای توقف لحظه ای آزمایش می توانید روی دکمه توقف که به رنگ خاکستری است کلیک کنید. همچنین برای افزایش یا کاهش سرعت انجام آزمایش می توانید از کنترل گرهای سرعت (از محدوده قرمز با سرعت کم تا سبز با سرعت زیاد) استفاده کنید.

پرسش ها

انتظار می‌رود در حین کار با شبیه ساز نوار های دو فلزه به پرسش های زیر پاسخ دهید:

1. نوار دو فلزه چگونه ساخته می شود؟
2. چرا نوار دو فلزه هنگام تغییر دما خم می شود؟
3. نحوه خم شدن نوار دو فلزه هنگامی که ماده با ضریب انبساط طولی بزرگتر در بالا قرار دارد و دما افزایش می یابد چگونه است؟
4. نحوه خم شدن نوار دو فلزه هنگامی که ماده با ضریب انبساط طولی کوچک تر در بالا قرار دارد و دما افزایش می یابد چگونه است؟
5. نحوه خم شدن نوار دو فلزه هنگامی که ماده با ضریب انبساط طولی بزرگتر در بالا قرار دارد و دما کاهش می یابد چگونه است؟
6. نحوه خم شدن نوار دو فلزه هنگامی که ماده با ضریب انبساط طولی کوچک تر در بالا قرار دارد و دما کاهش می یابد چگونه است؟