Ausdehnung bei Erwärmung

Versuche

Bimetall

Ziel des Versuchs

Veranschaulichung der Eigenschaften eines Bimetalls
Technische Anwendung des Bimetalls als Thermometer oder Schalter

Einfaches Bimetall

Einen aus zwei unterschiedlichen Metallen zusammengewalztes oder zusammengelötetes Blech nennt man einen Bimetallstreifen. Oft wird dieser auch kurz nur Bimetall genannt. Die beiden Metalle eines Bimetallstreifens dehnen sich beim Erhitzen unterschiedlich stark aus, sie besitzen einen unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten \(\alpha\).

Im folgenden Versuch wird ein solcher Bimetallstreifen erhitzt.

Aufgabe

a)Beschreibe deine Versuchsbeobachtung in eigenen Worten.

b)Erläutere, warum sich ein Bimetallstreifen beim Erhitzen verbiegt und in welche Richtung sich der Bimetallstreifen verbiegt.

c)Gib an und begründe, ob Eisen oder Nickel sich beim Erhitzen stärker ausdehnt.

Lösung

a)Der Bimetallstreifen verbiegt sich in der ersten Versuchsdurchführung beim Erhitzen nach oben in Richtung des Eisenstreifens. Je länger man den Bimetallstreifen erhitzt, desto stärker verbiegt er sich. Kühl man den Bimetallstreifen wieder ab, so nimmt er wieder seine Ausgangsform an. In der zweiten Versuchsdurchführung mit umgedrehtem Bimetallstreifen verbiegt sich der Bimetallstreifen beim Erhitzen nach unten, also wieder in Richtung des Eisenstreifens.

b)Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei unterschiedlichen Metallstreifen, die fest miteinander verbunden sind. Da sich die beiden Metalle der Streifen beim Erhitzen unterschiedlich stark ausdehnen, wird beim Erhitzen ein Metallstreifen länger als der andere. Daher verbiegt sich das Blech in Richtung des Metalls, das sich weniger stark ausdehnt. Man kann sich die Metalle hier wie in einer Kurve auf zwei unterschiedlichen Bahnen einer Laufbahn vorstellen: Die Innenbahn ist kürzer als die Außenbahn. So sind die beiden Enden des Metalls durch die Biegung immer noch nahe beieinander, auch wenn die Streifen im erhitzten Zustand unterschiedlich lang sind.

c)Nickel dehnt sich beim Erhitzen stärker aus als Eisen, da sich der Bimetallstreifen immer in Richtung des Metalls verbiegt, was sicher weniger stark ausdehnt. Und im Versuch verbiegt sich der Streifen immer in Richtung des Eisens.

Technische Anwendung: Bimetallthermometer

Zur groben Messung der Raum- oder Außentemperatur werden häufig sogenannte Bimetallthermometer eingesetzt. Ihre Funktionsweise beruht auf der unterschiedlichen Ausdehnung verschiedener Metalle.

Funktionsweise

Joachim Herz Stiftung

Abb. 3 Schematische Darstellung eines Bimetallthermometer

Ein Bimetall (z.B. aus Messing und Eisen) ist zu einer Spirale aufgewickelt (vgl. Abb. 3). Ein Ende des Metalls (links) ist starr befestigt, das andere ist mit dem Umfang einer drehbaren Achse verbunden, an der sich der Zeiger des Thermometers befindet.

Da sich Messing stärker ausdehnt als Eisen (bei gleicher Länge und gleicher Temperaturerhöhung), wird die Achse beim Erwärmen im Uhrzeigersinn gedreht, der Zeiger schlägt nach rechts aus. Bei Abkühlung läuft der umgekehrte Prozess ab und der Zeigerausschlag geht wieder zurück.

Bimetallrelais als Feuermelder

zum Video (von T. Hemmert, Uni Würzburg)

Bimetallstreifen werden als Thermometer aber vor allem als temperaturabhängige Schalter verwendet, z.B. als Feuermelder, aber auch in Thermosicherungen und als Regler in Heizungs- und Kühlanlagen.

Das Video zeigt ein Bimetallrelais, dass bei Erwärmung einen Stromkreis schließt und so z.B. einen Feueralarm auslösen kann.