где Q – сила, развиваемая биметаллом при его тепловой деформации,
– элементарная деформация биметалла.
Напряжение сжатия и растяжения в биметалле определяется выражением:
и величина
определяется следующим соотношением:
где s- напряжение растяжения или сжатия в биметаллах,
относительная деформация биметалла,
– удлинение биметалла,
т.е
.
Из представленных выражений и интегрирования работоспособность биметалла равна
Из этой зависимости следует, что значение А тем больше, чем выше модуль упругости компонентов биметалла при прочих равных условиях.
Термобиметалл состоит из двух компонентов: пассивного с относительно малым значением
и активным с большим значением
.Для получения максимальной деформации необходимо, очевидно, иметь наибольшее значение разности
.
До начала CIC века термобиметалл изготавливался путем спайки или склепки различных металлов, чаще всего стали с цинком или стали с медью. Такой биметалл мог работать в малом диапазоне температур и имел низкую работоспособность.
Широкое распространение термобиметалла связано появлением никелевых сталей, имеющих высокие механические качества, и усовершенствованием технологии изготовление биметалла. Коэффициент линейного расширения стали зависит от содержания в ней никеля. В качестве пассивного слоя обычно применяется сталь с содержанием никеля от 36 до 46%. Наибольшее распространение имеет сплав с содержанием
36.1%Ni + 63.1%Fe + 0.4%Mn + 0.4%Cu,
имеющий
; 1/°c. При уменьшении содержания никеля до 25% коэффициент линейного расширения возрастает до
.
В качестве активного слоя могут применяться как черные так и цветные металлы и их сплавы.
Чистое железо применяется редко из-за малого значения коэффициента линейного расширения и низкого модуля упругости. Наиболее часто применяются никель-молибденовые стали
27%Ni Fe +5%Mo
с рабочей температурой 400-500°с и
42%Ni Fe +5%Mo
с рабочей температурой 150-350°С, для этих сталей L=(18-19)×10, 1/°c; и модуль упругости Е=(20-24)×10 кг/мм
В качестве цветных металлов для изготовления активного слоя применяются никель и сплавы на медной основе: латунь, бронзы, томпак, монель-металл.
В нашей стране в основном применяются следующие марки термобиметалла:
1)Инвар–маломагнитная сталь (ИС) применяется при рабочей температуре до 170°C. Компоненты имеют высокие механические свойства. Этот термобиметалл имеет высокое удельное сопротивление r=0.8
, что позволяет осуществлять прямой подогрев.
2)Инвар-томпак (ИТ)- максимальная допустимая температура до 100°С. Имеет низкое r, что требует косвенного подогрева.
3)Существуют марки термобиметаллов по номерам: N 1,2,3,4,5,6; применяемые в диапазоне температур от –60 до +375°с.
Термобиметалл изготавливается следующим образом. Компоненты биметалла выплавляются в высокочастотной электрической печи и полученные слитки разрезаются на бруски размером 15х115х330 мм. С целью улучшения качества сварки производится электролитическое железнение брусков (толщина слоя 0,015 мм) и затем их сварка по периметру. Полученные таким образом биметаллические бруски нагреваются до температуры 1150-1200 
C и прокатываются до толщины 3,5 мм. Полученные таким образом биметалл служит основной заготовкой и в дальнейшем прокатывается до требуемой толщины. Основная способность биметалла – изменять свою форму под воздействием температуры – используется для производства многочисленных электрических аппаратов: реле тепловой защиты, реле – указателей, автоматических ограничителей, терморегуляторов, автоматов и др.
Все многообразные биметаллические механизмы классифицируются по способу теплового воздействия, по выполняемым функциям и по конструктивной форме исполнения.
По способу теплового воздействия различают механизмы с непосредственным нагревом биметалла (рис. 14.1,а), косвенным (рис.14.1,б) и комбинированным (рис.14.1,в) нагревами. Часто ток на нагрев подается через промежуточный трансформатор.
По конструктивным исполнениям и функциям выполнения устройства с термобиметаллом весьма многообразны:
1. Механизм с биметаллической защелкой (рис.14.2).
Находит применение в автоматах, пускателях и др. Принцип действия основан на освобождении нагретым биметаллическим элементом оттягиваемого пружиной контакта. В этом случае биметалл совершает только минимальную работу, необходимую для освобождения контакта, всю остальную работу выполняет вспомогательный привод. Возврат механизма в исходное положение чаще совершается вручную.
2. Механизм теплового реле времени. (рис.14.3)
Биметаллический механизм используется для получения определенной выдержки времени. Принцип действия заключается в следующем.
Биметаллическая пластина, неподвижно закрепленная одним концом, несет на другом конце небольшой стальной якорек с подвижным контактом(рис.14.3). В холодном состоянии якорек притягивается и удерживается небольшим постоянным магнитом. При нагревании током биметаллическая пластина развивает усилие, которое стремится оторвать якорек от полюсов магнита. При температуре срабатывания, наступающей через некоторое время после включения тока, усилие пластины преодолевает притяжение магнита и пластина скачком переходит в нижнее положение, замыкая контакты. Выдержка времени может в некоторых пределах регулироваться током биметаллического элемента или нагревателя. Возврат реле в исходное положение происходит автоматически, через промежуток времени, необходимый для охлаждения машины.
3.Измерительный орган регулятора температуры (рис. 14.4).
Биметаллическая пластина касается концом изоляционного штифта, укрепленного на плоской пружине, несущей подвижный контакт. При повышении температуры окружающей среды биметаллическая пластина изгибается вверх и размыкает контакты регулятора. Этот механизм регулятора имеет медленное размыкание контактов, незначительную скорость движения их и непостоянство контактного давления при включенном положении регулятора, что приводит к искрению в контактах, привариванию и быстрому выходу их из строя.
4. Биметаллический термометр (рис.14.5).
Биметаллический термометр представляет собой одно из первых применений биметалла. Этот термометр в сравнении со ртутным имеет следующие преимущества:
а. наличие круговой шкалы со стрелкой, что позволяет делать дистанционные измерения;
б. отсутствие хрупких частей, что позволяет использовать его в тяжелых производственных условиях.
Биметаллический термометр представляет собой биметаллическую ленту, свернутую в виде плоской или винтовой спирали (рис.14.5, а и б). Недостатком плоской спирали является смещение её центра при закручивании, что усложняет форму шкалы. Недостаток винтовой спирали – большой габарит прибора.
5. Механизм с «прыгающим контактом» (рис. 14.6).
Этот механизм используется для ускорения размыкания и замыкания контактов. Принцип действия заключается в использовании усилия дополнительной плоской пружины, шарнирно закрепленной одним концом в неподвижной опоре, а другим на биметаллической пластине. Благодаря этому не нагретая биметаллическая пластина всегда прижимается к неподвижному контакту с некоторым постоянным усилием. По мере нагревания пластина развивает усилие, направленное к противоположному упору, а при температуре срабатывания преодолевает усилие пружины и скачком переходит в крайне правое положение и размыкает контакты.
6. Механизм с прыгающей биметаллической пластиной (рис.14.7).
Используется для создания постоянного контактного давления. Биметаллическая пластина упирается и призматические опоры В и С, одна из которых (В) неподвижна, а другая (С) может поворачиваться в шарнире О. В холодном состоянии биметаллическая пластина слегка выгнута вверх и используется для создания постоянного контактного давления. Биметаллическая пластина упирается в призматические опоры В и С, одна из которых (В) неподвижна, а другая (С) может удерживается пружиной П, которая прижимает подвижную опору С к упору А. При нагревании биметаллическая пластина изгибается вниз. При температуре срабатывания она скачком переходит в нижнее, также выгнутое положение, встречает штифт размыкающего контакта и размыкает контакты. После остывания пластина, также скачком, возвращается в исходное положение и контакты замыкаются. В этой конструкции контактное давление остается неизменным до момента размыкания контактов.