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Versuche

Bimetall

Einfaches Bimetall

Einen aus zwei Metallen mit verschiedenem Längenausdehnungskoeffizienten \(\alpha\) zusammengewalztes oder zusammengelötetes Blech nennt man Bimetall. Im folgenden Versuch wird ein solcher Bimetallstreifen erhitzt.

Aufgabe
  1. Beschreibe deine Versuchsbeobachtung in eigenen Worten.
  2. Erläutere, welches der beiden Metalle (Metall 1 oder Metall 2) sich beim Erhitzen stärker ausdehnt.

Lösung

  1. Der Bimetallstreifen verbiegt sich beim Erhitzen nach oben. Je länger man ihn erhitzt, desto stärker verbiegt er sich. Kühl man den Bimetallstreifen wieder ab, so nimmt er wieder seine Ausgangsform an. Dreht man den Bimetallstreifen um und erwärmt ihn wieder so verbiegt er sich nun nach unten.
  2. Metall 2 dehnt sich stärker aus als Metall 1 (Metall 2 besitzt einen größeren Längenausdehnungskoeffizienten als Metall 1). Metall 2 wird also beim Erhitzen länger als Metall 1. Da die beiden Metall fest miteinander verbunden sind, biegt sich das Blech in Richtung des nun kurzeren Metallstückes aus Metall 1. Du kannst dir die Metalle hier wie eine Kurve auf zwei unterschiedlichen Bahnen einer Laufbahn vorstellen. Die Außenbahn hat hier eine größere Länge als die Innenbahn.

Bimetallrelais als Feuermelder

zum Video (von T. Hemmert, Uni Würzburg)

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

Aufgabe

Betrachte das Video des Feuermelders und fertige eine Schaltskizze.

Lösung

Man beachte, dass - im Gegensatz zu vielen Versuchsaufbauten im Unterricht - der Bimetallstreifen hier nicht Teil des Stromkreises ist, sondern nur das Relais betätigt.

Kalter Zustand:

Relaisschalter offen

Der Schließvorgang
im Film

Warmer Zustand:

Relaisschalter geschlossen

Bimetallthermometer

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

Aufgabe

Erläutere die Funktionsweise eines Bimetallthermometers!

Lösung

Joachim Herz Stiftung
schematische Darstellung eines Bimetallthermometer
Ein Bimetall (z.B. aus Messing und Eisen) ist zu einer Spirale aufgewickelt (vgl. nebenstehende Skizze). 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.