Bimetallstreifen: Wärme in mechanische Bewegung umwandeln

Funktionsprinzip

Ein Bimetallstreifen ist eine einfache Vorrichtung, die thermische Energie in mechanische Bewegung umwandelt. Er wird als thermisch aktivierter Schalter oder Temperaturanzeiger verwendet und beruht auf dem Prinzip der differenten Ausdehnung erhitzter ungleicher Metalle. Der Bimetallstreifen besteht aus zwei verschiedenen Metallen, die miteinander verbunden sind, um einen geraden, flachen Streifen oder eine konzentrische Spirale zu bilden. Wird der Streifen erhitzt, dehnt sich eines der Metalle schneller aus als das andere, wodurch sich der Streifen biegt. Diese mechanische Ablenkung wird auf verschiedene Weise genutzt, um elektrische Schaltkreise zu schalten oder einen Zeiger auf einen Temperaturwert zu bewegen.

Physikalische Grundlagen

Wenn ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas erhitzt wird, beginnen sich die Moleküle voneinander zu entfernen, was zur Ausdehnung führt. Solange ein erhitztes Material an keiner Stelle eingeschränkt ist, dehnt es sich ausgewogen aus. Wenn das Material jedoch aus irgendeinem Grund entlang einer seiner Flächen an der Ausdehnung gehindert wird, verursacht die ungehinderte Ausdehnung im Rest des Materials eine Ablenkung oder Biegung. Offensichtlich erwärmen sich manche Materialien schneller oder dehnen sich stärker aus, abhängig von ihrer molekularen Struktur. Wenn zwei solche ungleichen Materialien miteinander verbunden sind, beschränkt das langsamer erwärmende die Ausdehnung entlang einer Fläche des anderen und bewirkt diesen Ablenkungseffekt.

Materialkombinationen und Bauformen

Dieses Prinzip der thermischen Ablenkung ungleicher Materialien wird genutzt, um wärmebezogene mechanische Bewegung in einer breiten Palette elektrischer und messtechnischer Geräte zu liefern. Bimetallstreifen bestehen allgemein aus zwei ungleichen Metallen, typische Kombinationen sind Messing-Stahl und Kupfer-Stahl. Die beiden Materialien werden meist geschweißt, gelötet oder genietet, um eine gleichmäßige, sichere Verbindung zwischen den beiden Kontaktflächen zu erzeugen. Bimetallstreifen können als gerader Streifen oder als konzentrische Spiralfeder geformt sein. Ihre physikalische Ablenkung bei Erhitzung wird auf vielfältige Weise genutzt, um unterschiedliche Funktionen zu erreichen.

Anwendung als Temperaturschalter

Eine der häufigsten Methoden, die Ablenkung eines Bimetallstreifens zu nutzen, ist die Verwendung als elektrischer Kontakt zum Schließen oder Öffnen von Stromkreisen. Heizungsthermostate sind ein gutes Beispiel: Der gerade, unbeheizte Streifen hält Kontakt mit einem Schaltpunkt und hält den Heizstromkreis aktiv. Steigt die Temperatur auf einen vorgegebenen Wert, erwärmt sich der Streifen und biegt sich, wodurch der Stromkreis unterbrochen und die Heizung abgeschaltet wird. Kühlt der Streifen wieder ab, richtet er sich auf und reaktiviert den Heizstromkreis. So lässt sich ein konstanter Temperaturbereich halten.

Spulenbauform für Anzeigegeräte

Der Spulentyp Bimetallstreifen neigt sich beim Erhitzen auf und dreht die Nadel eines Zeigerthermometers, um einen Temperaturwert anzuzeigen. Bimetallstreifen werden auch als thermische Überlastschalter eingesetzt, um die Stromversorgung elektrischer Geräte bei übermäßigem Stromverbrauch oder physikalischer Überhitzung zu unterbrechen. Die bekannten Ausdehnungscharakteristiken der verschiedenen Metalle im Bimetallstreifen erlauben eine sehr genaue Abstimmung dieser Geräte auf exakte Temperaturen. Dies macht die Streifen zu einer zuverlässigen und kostengünstigen Methode, Wärme als Steuer- oder Messeingang zu nutzen.