Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Лицей №6»
 |
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
на тему
«Тепловое расширение металлов, или
раскрытие тайн
биметаллической пластины»
по физике
Ученика 10а класса
Лунина Егора Андреевича.
Руководитель:
.
г. Воскресенск 2014
Содержание.
№ п/п | Наименование | Страницы |
1. | Введение. | 3-4 |
2. | Глава I. «С миру по нитке…». | 5-7 |
3. | Глава II. Исследование расширения металлов. | 8-14 |
4. | Глава III. Все тайны биметаллической пластины. | 15-22 |
5. | Заключение. | 23 |
6. | Список литературы. | 24 |
7. | Рецензия на работу. | 25 |
Введение.
В электротехнике много внимания уделяется вопросам безопасности использования электроэнергии, автоматизации процессов управления электрическими цепями. Для этого разрабатываются различные чувствительные элементы — датчики, которые способны реагировать на изменения различных параметров в электрических цепях. Одним из таких замечательных элементов является биметаллическая пластина.
Биметаллические пластины применяют в автоматических выключателях для разрыва электрических цепей при недопустимо больших токах в них. В электронагревательных приборах (например, электроутюгах, электрорадиаторах, чайниках) биметаллические пластины используют для автоматического отключения или регулирования температуры.
Электроприборы часто встречаются в нашей повседневной жизни, именно поэтому я решил посвятить свою работу раскрытию тайн биметаллической пластины.
Цель работы: изучение свойств металлов при нагревании и исследование области применения этих свойств в устройствах, содержащих биметаллическую пластину.
Для достижения данной цели я поставил следующие задачи:
1) изучить литературу и другие источники информации по проблеме исследования, дать их анализ;
2) исследовать и проанализировать основные свойства биметаллических пластин;
3) показать значение биметаллической пластины в связи с её использованием в различных приборах.
Актуальность темы исследования заключается в том, что изучение свойств биметаллической пластины позволит существенно расширить область знаний об устройствах её содержащих.
Глава I
«С миру по нитке…»
Для того чтобы начать исследования в области свойств металлов при нагревании, необходимо систематизировать знания, полученные из различных источников информации.
Начну, пожалуй, с первого тома «Элементарного учебника физики» под редакцией академика . Из этой книги я взял основные понятия по теме исследования. Простые опыты и наблюдения убеждают нас, что при повышении температуры размеры тел немного увеличиваются, а при охлаждении – уменьшаются до прежних размеров. Так, имея простую монету и шпильки, можно показать, что при нагревании монета увеличивается в размерах и не проходит между двумя шпильками. Тот же самый эффект получается при нагревании шара (шар не проходит через металлическое кольцо).(4) Изменение линейных размеров тела при нагревании называют линейным расширением. Если однородное тело нагревается одинаково во всех частях, то оно, расширяясь, сохраняет свою форму. Например, рассмотрим интересный опыт, представленный в первом томе «Курса физики для средних специальных учебных заведений» под редакцией и . Пусть имеется металлический лист, в котором пробито круглое отверстие. Опыт показывает, что размер отверстия при нагревании увеличивается. Такой результат может показаться странным. Однако если бы лист расширялся и наружу и внутрь отверстия, то атомы металла, расположенные по краю отверстия, должны были бы сблизиться, так как длина окружности края отверстия стала бы короче. Но расстояния между атомами металла при его нагревании должны возрастать, а не уменьшаться. Следовательно, отверстие в листе должно увеличиваться. (2)
Таким образом, отверстия и полости в твёрдых телах при нагревании увеличиваются, а при охлаждении сжимаются, и, при том так, как будто бы они сплошь заполнены тем веществом, из которого состоит твёрдое тело.
Иное происходит при неравномерном нагревании, при этом в них возникают напряжения, которые могут привести к разрушению, если напряжения сделаются слишком большими. Именно поэтому, если в стеклянную посуду наливать горячую воду, она может лопнуть. Существует, однако, специальные сорта стекла (так называемое кварцевое стекло), которые при нагревании расширяются настолько мало, что напряжения при неравномерном нагревании посуды, сделанной из такого стекла, не опасны.
Напряжения, появляющиеся в твёрдых телах вследствие теплового расширения, могут быть очень большими. Это необходимо принимать во внимание во многих областях техники. Бывали случаи, когда части железных мостов, склёпанные днём, охлаждаясь ночью, разрушались, срывая многочисленные заклёпки. Во избежание подобных явлений, принимают меры к тому, чтобы части сооружений при изменении температуры расширялись или сжимались свободно. Например, железные паропроводы снабжают пружинящими изгибами в виде петель, так называемыми компенсаторами.
Из учебного пособия «Физика» под редакцией и я узнал, что нагревание придает телам некоторые новые свойства. Найдено, что при нагревании на 1°С каждый метр железа удлиняется на 0,012 мм, алюминия — на 0,024 мм. Как ни малы эти величины, однако они всегда учитываются в технике.(7) Так, например, большие железнодорожные мосты закрепляют только с одного конца, а другой конец укладывают на катки. А если посмотреть на железнодорожные 
рельсы, то можно увидеть на месте соединения двух кусков промежуток. Если рельсы поставить вплотную, то летом, в сильную жару, они удлинятся и могут лопнуть. Благодаря одинаковому расширению железа и бетона стало возможным применять железобетонные постройки.
Анализируя приобретённые знания, можно сделать вывод, что расширение металлических тел при нагревании связано с увеличением линейных размеров тела и его объёма, и это надо обязательно учитывать при термообработке и при термическом способе изготовления деталей и оборудования, при строительстве машин, трубопроводов, электрических линий, мостов, зданий, подверженных температурным изменениям.
Глава II
Исследование расширения металлов
При расширении тела происходит увеличение его объема, в этом случае говорят об объемном расширении тела. Но иногда нас интересует лишь изменение одного размера, например длины железнодорожного рельса или металлического стержня. Тогда говорят о линейном расширении. Конструкторы автомобилей интересуются расширением поверхности листов металла, применяемых при постройке машины. Здесь вопрос стоит о поверхностном расширении.
Оказывается, что не одинаково расширяются тела при нагревании на одно и то же число градусов, так как у разных веществ молекулы имеют разные массы. Изменение температуры на одно то же число градусов характеризует одинаковую среднюю квадратичную скорость молекул. Средняя кинетическая энергия молекул с меньшей массой будет меньше, чем молекул с большой массой. Поэтому межмолекулярные пространства различных веществ изменяются различно при одинаковой температуре, что и приводит к неодинаковому расширению. (3)
Величина, характеризующая зависимость линейного расширения тел при нагревании от рода вещества, называется коэффициентом линейного расширения и обозначается α.
Коэффициент линейного расширения показывает, на какую часть своей величины при 0оС изменяется длина тела при нагревании на 1оС
Выведем единицу измерения коэффициента линейного расширения
Отмечу, что коэффициент α при повышении температура увеличивается. Однако это изменение столь мало, что при не слишком больших изменениях температуры им можно пренебречь. Поэтому в дальнейшем коэффициент α для каждого вещества считается постоянным.
В некоторых случаях необходимо учитывать расширение тел во всех направлениях, которое принято называть объёмным расширением. При нагревании кристаллов их расширение по различным направлениям неодинаково. Однако при нагревании изотропных веществ расширение по всем направлениям одинаково.
Если объём тела при 0оС и при tоС соответственно обозначить V0 и Vt, то объёмное расширение тела будет 
Изменение объёма тела при нагревании прямо пропорционально первоначальному объёму V0 и приросту температуры, т. е.
Коэффициент пропорциональности β в данной формуле выражает зависимость объёмного расширения от рода вещества.
Величина, характеризующая зависимость объёмного расширения тел при нагревании от рода вещества, называется коэффициентом объёмного расширения.
Коэффициент объёмного расширения показывает, на какую часть своей величины при 0оС изменяется объём тела при нагревании на 1оС
Как и в случае линейного расширения, коэффициент β для каждого вещества постоянен.
Выведем единицу измерения β.
Обычно в таблицах даются только коэффициенты линейного расширения твёрдых тел, а коэффициенты объёмного расширения не приводятся. Объясняется это тем, что величину β легко вычислить по величине α, пользуясь приближенной формулой
Покажем, как выводится эта формула. Возьмём твёрдое тело в форме куба, длина ребра которого l. Обозначим через l0 – длину ребра при 0оС и через V0–объём тела при 0оС. Тогда при температуре toCдлина ребра будет 
, а объём тела
.Так как объём куба равен l3, то можно написать
или
Учитывая, что 
после сокращения получим
Поскольку α для всех веществ – малое число, можно пренебречь членами, содержащими α во второй и третьей степенях. Тогда приближенно
А теперь давайте посмотрим на коэффициенты линейного расширения для некоторых металлов, а также получим коэффициент линейного расширения для железа, по экспериментальным данным. (5)
Металл | α, 10-6 К-1 |
Алюминий | 22,9 |
Бронза | 17,5 |
Висмут | 13,4 |
Вольфрам | 4,3 |
Дюралюминий | 22,6 |
Железо кованое | 11,9 |
Железо литое | 10,2 |
Золото | 14,5 |
Инвар | 0,9 |
Иридий | 6,5 |
Константан | 17,0 |
Латунь | 18,9 |
Магний | 25,1 |
Медь | 16,7 |
Нейзильбер | 18,4 |
Никель | 13,4 |
Олово | 21,4 |
Платина | 8,9 |
Платино-иридиевый сплав | 8,7 |
Свинец | 28,3 |
Сталь углеродистая | 11,1 - 12,6 |
Сталь нержавеющая | 9,6 - 16,0 |
Цинк | 30,0 |
Чтобы нагляднее представить эти данные, построим диаграмму.
Из представленной диаграммы видно, что тройка лидеров по коэффициенту линейного расширения представлена тремя веществами: цинк, свинец, магний.
Выше в работе я показал и объяснил, что не одинаково расширяются тела при нагревании на одно и то же число градусов. Я решил, опираясь на табличные данные, отобразить эту зависимость графически.
Коэффициент линейного расширения при различных температурах
(α, 10-6 К-1). (1)
Температура, К | Алюминий | Медь | Сталь малоуглеродистая | Сталь нержавеющая | Титан |
40 | 1 | 1 | 0,5 | -0,2 | 0,5 |
100 | 11 | 9,5 | 5 | 8 | 1,6 |
200 | 19,5 | 15 | 10 | 13,5 | 2,5 |
300 | 23 | 17,5 | 11,5 | 16 | 3,2 |
Красиво? Теперь становится очевидным факт применения титана преимущественно для производства военного оборудования: в области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.
Эксперимент.
Определение коэффициента линейного расширения твердых тел.
Оборудование: нагревательный прибор с укрепленным на нем штативом, индикатор малых перемещений, набор стержней из исследуемых материалов, пробирка, лабораторный термометр.
Выполнение: испытуемый образец нагревается в воде, находящийся в стеклянной пробирке. Изменение длины нагретого образца по сравнению с его первоначальной длиной измеряется индикатором малых перемещений и вводится в известную формулу для определения линейного расширения.
∆t, K | ∆l, мм | α, 10-6 К-1 | αср., 10-6 К-1 | ∆α, 10-6 К-1 | ∆αср., 10-6 К-1 |
78,5 | 0,18 | 14,3 | 12,7 | 1,6 | 0,9 |
67 | 0,13 | 12,1 | 0,6 | ||
66 | 0,14 | 12,9 | 0,2 | ||
70,5 | 0,13 | 11,4 | 1,3 |
Результаты измерений представлены в таблице.
Выводы и результаты:
α=(12,7±0,9)∙10-6 К-1
Испытуемый образец представляет собой
нержавеющую сталь.
Глава III
Все тайны биметаллической пластины.
Биметаллическая пластина - пластина, изготовленная из биметалла или из механически соединённых кусков двух различных металлов. Если оба конца биметаллической пластины соединены заклёпками, при увеличении температуры пластина изгибается.
Биметаллическая пластина является весьма полезным примером применения различного расширения материалов, которое может быть продемонстрировано на примере полоски меди и полоски железа одинаковых размеров, склепанных или спаянных друг с другом и посаженных на деревянную ручку. Заклепка сама по себе является удобным примером для объяснения расширения. В горячем состоянии ее проталкивают в отверстие в металлических полосках и расклепывают с двух сторон. При охлаждении она сжимается и плотно держит две пластины вместе.
Когда биметаллическая пластина нагрета, она сгибается так, что металл с большей способностью теплового расширения (с большим коэффициентом линейного расширения) находится на внешней стороне изгиба. На рисунке медная пластина находится с внешней стороны. Когда температура поднимается, медная пластина становится длиннее железной, и поскольку они не могут скользить (они склепаны), то изгибаются в виде дуги. Если та же биметаллическая пластина будет помещена в смесь соли и льда, то она охладится и изогнется в противоположном направлении, при этом медь будет находиться внутри дуги. (6)
В начале 20-го века шведский инженер Нильс Густав Дален предложил использовать ее для автоматического зажигания и гашение морских маяков. После захода солнца конструкция, представляющая собой биметаллическую пластинку с одним закрепленным концом, охлаждается, изгибается и приводит в действие устройство, включающее маяк. Это изобретение позволило построить множество маяков, работающих автоматически и не нуждающихся в обслуживающем персонале, что существенно повысило безопасность мореплавания. По этим соображениям в 1912 году шведский изобретатель был удостоен Нобелевской премии по физике.
На свойстве биметаллической пластины изгибаться при изменении температуры основано множество приборов. Найденные мной данные по этому вопросу я систематизировал и представил в следующей таблице.
Устройство | Принцип действия | Роль пластины | |
Термостат | Поддерживает постоянную
| Биметаллическая пластина в термостате является частью электрической цепи, она изгибается и прерывает контакт, когда температура достигает определенного значения, выключая, таким образом, ток в нагревателе. Когда температура падает ниже определенного значения, пластина изгибается в обратную сторону, восстанавливает контакт и включает нагреватель. | |
Аварийный сигнал автомобиля | Периодическое включение и выключение ламп сигнала | Маленькая спираль подогрева, последовательно соединенная с лампой, помещена вблизи биметаллической пластины. Когда указатель включается, зажигается лампа и спираль подогрева передает свое тепло, поднимая температуру биметаллической пластины. Это | |
Механические часы |
| Может изменять диаметр разрезного обода баланса, сделанного из биметаллической пластины, либо изменять действующую длину пружины баланса. | |
Термометры |
| Биметаллическая лента, свернутая в пружину и подвергнутая термической обработке в печи, «запоминает» свою форму. При увеличении температуры пружина раскручивается (или скручивается) в зависимости от разности коэффициента теплового расширения биметаллов. К корпусу прикреплен внутренний конец пружины, а ко второму ее концу приварена стрелка, которая отклоняется пропорционально изменению температуры. По ее отклонению измеряют температуру. | |
Пожарные оповещатели |
| Чувствительный элемент этого прибора изготовлен из двух пластин различных металлов, сваренных вместе и имеющих различные коэффициенты теплового расширения. При нормальной температуре пластина занимает прямое положение. При увеличении температуры биметаллическая пластина изгибается, так как один металл расширяется быстрее другого и касается точки контакта, замыкая электрическую цепь и передавая сигнал тревоги. | |
Генераторы импульсов и реле времени | Переключение режимов работы устройств после их включения (например, в стартёрах люминесцентных лампах и электромоторах).
| Биметаллическая пластина с контактом и с подогревателем (применяется обмотка из высокоомного провода либо сама пластина, по которой пропускают ток). Нагрев пластины продолжается всё время, пока устройство включено. (8) | |
Тепловые реле | Разрывает контакт при повышении силы тока.
| Биметаллическая пластина, соединённая с контактом, при пропускании через неё большей силы тока, нагревается, изменяет форму и разрывает контакт. | |
Термозамки | В автоматических стиральных машинах запирает загрузочный люк на время стирки.
| Биметаллическая пластина при нагреве изгибается, контакты замыкаются и остаются в таком положении в течение всего времени работы, пропуская напряжение питания на электросхему. Также при замыкании контактов замка попутно приводится в действие запорный механизм, фиксирующий крышку или дверцу загрузочного люка. | |
Тепловые предохранители | Разрывает контакт при повышении силы тока.
| Биметаллическая пластина этого предохранителя имеет контакт только на одном конце, а другой конец приварен к основанию. Ток, проходя по биметаллической пластине, нагревает ее, а при повышении тока в цепи, в которую включен предохранитель, выше допустимой величины нагрев ее сильно увеличивается, и биметаллическая пластина изгибается, размыкая контакты. После разрыва цепи биметаллическая пластина остывает и возвращается в первоначальное положение, замкнув контакты. (7) |
температуру.
заставляет ее изогнуться и разомкнуть контакт, выключая, таким образом, лампу и спираль. Вскоре пластина охлаждается, выпрямляется, восстанавливает контакт, а вместе с этим включаются снова лампа и спираль. Этот процесс непрерывно повторяется.
Термокомпенсация хода часов.
Действие основано на свойстве биметаллов изменять форму под действием температуры.
Подает сигнал пожарной тревоги, когда температура прибора достигает определенного значения.
Эксперимент.
Изучение принципа работы биметаллического терморегулятора.
Терморегулятор – устройство для автоматического поддержания температуры в заданных пределах. Конструктивное исполнение терморегуляторов различно, однако, принцип их действия легко уяснить на примере терморегулятора, встроенного в утюг.
Оборудование: электроутюг в разобранном виде с рабочей светодиодной лампой, деревянная подставка, источник тока.
Выполнение:
1. Я рассмотрел устройство электроутюга. Оказывается, что металлическая пластина, с укреплённым на её конце штифтом, который сделан из изолирующего материала, привинчена к подошве утюга и находится в тепловом контакте с нагревательным элементом.
2. Электрический контакт терморегулятора состоит из двух упругих пластин. Через отверстие в пластине проходит стержень, нижний конец которого упирается в пластину, а верхний – соединён с лимбом для установки требуемой температуры.
Я повернул лимб по часовой стрелке, стержень, ввинчиваясь в неподвижную гайку, которая закреплена на скобе, давит на пластину. В результате левый конец пластины опускается, а вслед за ним опускается и другой конец пластины, при этом электрический контакт между пластинами сохраняется, но уменьшается зазор между штифтом и левым концом пластины.
Я повернул лимб против часовой стрелки, стержень вывинчивается, и левый конец пластины поднимается, поднимая за собой всю пластину. В результате зазор между штифтом и левым концом пластины увеличивается.
3. Я выяснил, что при нагревании биметаллическая пластина выгибается так, что укреплённый на её конце штифт поднимается вверх, достигая пластины, приподнимает её и размыкает контакт, утюг, соответственно, автоматически отключается. Получается, что чем меньше установленный зазор, тем при меньшей температуре происходит размыкание.
При охлаждении биметаллическая пластина распрямляется, штифт, опускаясь, отходит от пластины, и электрический контакт вновь замыкается, утюг автоматически включается.
4. Необходимо отметить, что сигнальная лампочка горит только при замкнутом контакте, то есть когда нагревательный элемент включён. По сигнальной лампочке судят о работе терморегулятора. Чем ниже заданная температура, тем реже загорается лампочка.
 |
Заключение.
Из анализа проведенного теоретического исследования можно сделать вывод, что при изготовлении биметаллических пластин материалы слоев подбирают так, чтобы разница их линейных коэффициентов расширения была значительной. В этом случае получают высокую чувствительность работы контактного аппарата. Прочностной анализ биметаллических соединений можно осуществить с помощью компьютерного моделирования. Если при изготовлении биметаллических пластин учитывать индивидуальные свойства материалов, то надежность контактной аппаратуры увеличится, а стоимость – уменьшится.
Цели работы, безусловно, я достиг: я теоретически изучил свойства металлов при нагревании и исследовал области применения этих свойств в устройствах, содержащих биметаллическую пластину. Кроме того, я удовлетворил своё любопытство в области применения биметаллического терморегулятора. Измерив линейный коэффициент расширения металлов, я, тем самым, доказал, что при нагревании линейные размеры металлов увеличиваются.
Что касается применения биметаллической пластины в различных устройствах, то в работе мной отражены и систематизированы (представлены в виде таблицы) основные области и приборы, где используется биметаллическая пластина.
Что касается практической значимости моей работы, то её можно использовать педагогам при подготовке работ физического практикума (в частности, для изучения принципа действия биметаллического терморегулятора). Презентация подойдёт и для уроков физики для расширения знаний обучающихся по теме «Расширение металлов при нагревании».
Список литературы.
1. , , Рыков материалы. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. , курс физики для сред. спец. учеб. заведений. Т.2. М.: Наука, 1966.
3. Журавлёва . Учеб. Пособие для сред. Проф. Образования. М.: Издательский центр «Академия», 2004.
4. Ландсберг учебник физики. Т.2. М.: Наука, 1985.
5. , Смондырев 2.-М.: Дрофа, 2004.
6. Корицкий по электротехническим материалам. Т.1. М., «Энергия», 1974.
7. , Граковский , учебник. М.: Форум, 2005.
8. http://dic. academic. ru/dic. nsf/ntes/478/
9. http://ru. wikipedia. org/wiki/
Рецензия на исследовательскую работу
ученика 10а класса МОУ «Лицей №6»
Лунина Егора Андреевича по теме
«Тепловое расширение металлов, или раскрытие тайн биметаллической пластины»
Исследовательская работа Лунина Егора Андреевича посвящена изучению свойств металлов при нагревании и исследованию области применения этих свойств в устройствах, содержащих биметаллическую пластину.
Биметаллические пластины применяют в автоматических выключателях для разрыва электрических цепей при недопустимо больших токах в них. В электронагревательных приборах (например, электроутюгах, электрорадиаторах, чайниках) биметаллические пластины используют для автоматического отключения или регулирования температуры.
Электроприборы часто встречаются в нашей повседневной жизни, именно поэтому Егор решил посвятить свою работу раскрытию тайн биметаллической пластины.
Егор изучил литературу по проблеме исследования, дал её анализ; исследовал и проанализировал основные свойства биметаллических пластин; показал значение биметаллической пластины в связи с её использованием в различных приборах.
Представленный учеником материал уложился в трёх главах. В работе Егором выполнены два экспериментальных задания по теме исследования, сделаны соответствующие выводы. Систематизация материала представлена в виде таблиц, графиков и диаграмм.
Что касается практической значимости работы, то можно отметить, что представленный материал интересен, изложен простым языком и может быть использован учителем на уроках физики. Кроме того, Егором подготовлена презентация и устное сообщение по теме работы, с чем он и будет выступать на Дне науки в лицее.
При написании исследовательской работы и выборе методов поиска информации Егором была проявлена настойчивость и самостоятельность.
Работа Лунина Егора, по моему мнению, заслуживает высокой оценки.
Руководитель – учитель
физики и астрономии
МОУ «Лицей №6»
