Bimetais

A lâmina bi metálica foi provavelmente inventada no século XVIII por John Harrison, para compensar o erro de relógios, que funcionavam a partir de um pendulo, causado por variações térmicas. A primeira lâmina foi feita de dois metais fixados por rebites. Harrison também descobriu uma técnica de fundir diretamente latão em um substrato de aço. Em 1940 o engenheiro inglês Erick Taylor uso lâminas bimetálica para um mecanismo utilizado na força aérea real, mais tarde Taylor criou a companhia Otter controls, que se baseava na tecnologia bimetal.

As lâminas bimetálicas são bastante utilizadas em vários tipos de circuitos elétricos e eletrônicos, desempenhando várias funções, como controle de temperatura, sinalização e proteção de circuitos. Elas são construídas pela junção de dois materiais metálicos condutores com dilatações térmicas diferentes, que quando submetida a variações de temperatura apresentam deformação curvilínea, pois os materiais, apesar de unidos, têm dilatação diferente.

O funcionamento básico deste dispositivo se deve aos diferentes coeficientes de expansão linear dos metais envolvidos. Quando um material é aquecido, sua energia interna aumenta, com isso os átomos podem se movimentar um pouco mais que o usual, ocorrendo a expansão do material. O metal que possui o maior coeficiente de expansão irá se expandir mais do que o outro metal, resultando na curvatura da lâmina para um determinado lado, quando resfriado o metal que possui o maior coeficiente de expansão linear irá se contrair mais do que o outro, com isso o par irá se curvar para o lado oposto ao do primeiro caso.

Vários metais podem ser utilizados na confecção de par bi metálico, os mais utilizados são o latão, aço e o invar, material feito a partir de uma liga de níquel e

ferro, que apresenta a propriedade de um baixo coeficiente de dilatação térmica. O invar é uma liga que apresenta de 30% a 36% de níquel e o restante de ferro com grupo espacial cúbico de face centrada, podendo também possuir outros elementos. O invar mais utilizado apresenta cerca de 36% de Ni e 64% de Fe, possuindo um coeficiente de dilatação térmica de cerca de 1,6.10-6/0C à temperatura ambiente. Sua maior aplicação é na construção de lâminas bi metálicas para termostato eletromecânico. O latão é uma liga metálica de cobre e zinco com porcentagem deste ultimo elemento variando de 3 a 45%. O latão possui um coeficiente de expansão térmica de 19.10-6 0C, cerca de 12 vezes o do invar. Já o aço é uma liga de ferro e carbono, de 0,008% até 2,1% deste ultimo elemento,formado por difusão intersticial de átomos de carbono no ferro e possui um coeficiente de expansão térmica de cerca de 11.10-6 0C, em torne de 7 vezes a do invar.

Aplicações

Disjuntores termomagnéticos são dispositivos de segurança conectados em um circuito elétrico e tem a função de estabelecer, conduzir ou

interromper a corrente que passa pelo circuito em condições normais de operação e intervir em condições anormais de operação. Possuem um sistema térmico baseado em um par bi metálico para a proteção de correntes pouco acima da corrente nominal, e um sistema magnético para a proteção contra sobre correntes elevadas. As três funções do disjuntor termomagnético:
• Manobra (abertura ou fechamento voluntário do circuito)
• Proteção contra sobrecarga
• Proteção contra curto circuito- é executado por um atuador magnético, um solenóide, que efetuará a abertura do circuito devido com o aumento instantâneo da corrente.
A Proteção contra sobrecarga, correntes acima da nominal do disjuntor, é efetuada por um par bi metálico. O par pode ser considerado como um resistor de baixa resistência que dissipa energia fornecida pelo circuito em energia térmica, com isso, essa energia irá fazer com que o par bi metálico se aqueça e sofra uma expansão linear. Se a corrente for superior à corrente nominal do disjuntor, depois de certo instante de tempo, o par irá desativar o circuito. Este desativamento ocorre porque um metal irá se expandir mais do que o outro, fazendo uma curvatura do par e, conseqüentemente, a abertura do circuito
FIGURA 1- interior de um disjuntor, o elemento representado pelo número 5 é o bimetal.
Disjuntores realizam basicamente a mesma operação que um fusível, porém com uma grande vantagem, quando o disjuntor parar de conduzir devido a uma sobrecarga, para o reativá-lo basta que se ligue sua chave novamente. No fusível ele para de conduzir porque não existe mais contato elétrico, sendo necessária a sua troca por um novo.

Relés de Sobrecarga bimetálicos ou relé térmico é um dispositivo de proteção de sobrecarga elétrica aplicado a motores elétricos. Este dispositivo de proteção visa evitar o sobre-aquecimento dos enrolamentos do motor quando ocorre uma circulação de corrente elétrica acima da tolerada nos seus enrolamentos. Este aquecimento é prejudicial ao motor, uma vez que acarreta a redução da vida útil do mesmo, por desgastar o isolamento dos enrolamentos modificando sua rigidez dielétrica. Sua função é atuar desligando o motor antes que o limite de deterioração seja atingido. O relé térmico é uma réplica do motor, pois é criado com base em um modelo térmico do mesmo. Sua fabricação se dá, a partir da laminação de dois metais de coeficientes de dilatação diferentes unindo-os por meio de um enrolamento por onde passa a corrente que vai para o motor. Recomenda-se a instalação de um relé térmico para cada fase do motor, pois a instalação em uma ou duas fases, no caso do motor elétrico motor trifásico, pode não ser o bastante para proteger o mesmo. Como o enrolamento do relé térmico é ligado em série com a fase, caso haja aquecimento, o par Placa bimetal bimetálico se deforma, promovendo uma curvatura devido à diferença de dilatação entre os metais, o que leva a libertação do dispositivo de trava contido num invólucro isolante de alta resistência térmica abrindo os contatos do relé e a consequente abertura do circuito do motor. A temperatura ambiente também pode provocar a dilatação das lâminas bimetálicas, caso seja superior ao limite de ajuste, situação passível de ocorrer em quadros de distribuição por exemplo. Para evitar tal fato, altera-se a conformação das lâminas bimetálicas ou utiliza-se uma lâmina bimetálica auxiliar influenciada apenas pela temperatura ambiente

FIGURA 2-Hastes bimetálicas de um relé

Termômetros Bimetálicos consistem em um par de metais de diferentes coeficientes de expansão térmica presos, formando uma lâmina, quando ocorrer

uma variação de temperatura do par, ocorrerá um encurvamento do mesmo, que é proporcional á temperatura. Para que a sensibilidade do termômetro seja maior, a lâmina é enrolada em forma de hélice ou espiral, pois com isso a lâmina será maior e a variação de comprimento devido à variação de temperatura também. Para a fabricação do termômetro é utilizado o invar como o metal de menor coeficiente de expansão e o latão como o de maior coeficiente. Este tipo de dispositivo apresenta um baixo custo de fabricação, construção robusta, um alto tempo de resposta, uma imprecisão de 0.5% a 1% e uma faixa de utilização de - 500C até 5000C. Empresas como a Ashcroft, Baumer, Manotherm, Sika entre outras fabricam termômetros bimetálicos.

FIGURA 3 -esquerda: termômetro bimetálico fabricado por Ashcroft Direita: esquema de um termômetro bimetálico

Curiosidades

Referência bibliográfica

SOUZA, Luiz Fernando de. UM EXPERIMENTO SOBRE A DILATAÇÃO TÉRMICA E A LEI DE RESFRIAMENTO. 2007. 25 f. Monografia (Especialização) - Curso de Licenciatura em Física, Departamento de Instituto de Física -, Ufrj, Rio de Janeiro, 2007.

“Ciência e Engenharia de Materiais – uma Introdução”, W. D. Callister Jr., 7a edição. Rio de Janeiro: LTC, 2008

Referência: GERONIMO, Prof.. Instrumentos de Temperatura. Disponível em: <http://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840921/208/Aula4.InstrumentosdeTemperatura.pdf>. Acesso em: 12 jul. 2014