Номер 5, страница 141 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел. Параграф 34. Тепловое расширение твёрдых тел и жидкостей. Вопросы для самопроверки - номер 5, страница 141.

Условие.

5. Что такое биметаллическая пластина? Как она действует? Где применяется?

Решение.

Что такое биметаллическая пластина?

Биметаллическая пластина — это композитный элемент, который состоит из двух или более полос различных металлов или сплавов, прочно соединённых друг с другом по всей длине (например, с помощью сварки, пайки или клёпки). Ключевой особенностью этих металлов является то, что они обладают разными коэффициентами теплового расширения.

Ответ: Биметаллическая пластина — это пластина, изготовленная из двух слоев разных металлов с различными коэффициентами теплового расширения, соединенных вместе по всей длине.

Как она действует?

Принцип действия биметаллической пластины основан на физическом явлении теплового расширения. При нагревании большинство материалов расширяются, а при охлаждении — сжимаются. Поскольку пластина состоит из двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения, при изменении температуры один металл будет изменять свою длину в большей степени, чем другой.

Пусть пластина состоит из двух металлов с коэффициентами линейного теплового расширения $\alpha_1$ и $\alpha_2$, причём $\alpha_1 > \alpha_2$. При нагревании оба слоя металла стремятся удлиниться. Изменение длины $\Delta L$ описывается формулой: $\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T$, где $L_0$ — начальная длина, а $\Delta T$ — изменение температуры.

Так как $\alpha_1 > \alpha_2$, слой металла с коэффициентом $\alpha_1$ удлинится сильнее. Поскольку слои прочно скреплены и не могут смещаться друг относительно друга, это различие в удлинении заставляет пластину изгибаться. Изгиб происходит в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения ($\alpha_2$). При охлаждении ниже первоначальной температуры процесс происходит в обратном направлении: пластина изгибается в другую сторону, так как металл с большим коэффициентом ($\alpha_1$) сжимается сильнее.

Ответ: Действие пластины основано на разнице в тепловом расширении двух металлов: при нагревании она изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения, а при охлаждении — в противоположную сторону, что позволяет преобразовывать изменение температуры в механическое движение.

Где применяется?

Благодаря своей способности предсказуемо изгибаться при изменении температуры, биметаллические пластины нашли широкое применение в различных устройствах, где требуется реагировать на изменение температуры. Основные области применения включают:

1. Термостаты: в бытовых приборах, таких как утюги, духовки, холодильники, а также в системах отопления и кондиционирования. Изгибаясь, пластина замыкает или размыкает электрический контакт, автоматически поддерживая заданную температуру.

2. Тепловые реле и автоматические выключатели: для защиты электрических цепей от перегрузки по току. При протекании слишком большого тока пластина нагревается (эффект Джоуля-Ленца), изгибается и размыкает цепь, прекращая подачу электричества.

3. Механические термометры: в некоторых типах термометров (например, для духовок или уличных) биметаллическую ленту сворачивают в спираль. При изменении температуры спираль скручивается или раскручивается, перемещая стрелку-указатель на шкале.

4. Датчики пожарной сигнализации: в тепловых извещателях пластина изгибается при достижении критической температуры окружающего воздуха, замыкая цепь и активируя сигнал тревоги.

5. Прерыватели указателей поворота: в старых моделях автомобилей биметаллическая пластина использовалась для создания мигающего света. Протекающий ток нагревал пластину, она изгибалась и разрывала цепь. Остывая, она выпрямлялась, снова замыкала цепь, и цикл повторялся.

Ответ: Биметаллические пластины применяются в качестве чувствительных к температуре элементов в термостатах, автоматических выключателях, термометрах, пожарных датчиках и других устройствах, где требуется механическая реакция на изменение температуры.