Принцип работы биметаллической пластинки основан на эффекте теплового расширения.

Пластинка состоит из двух пластин металлов с различными коэффициентами объемного расширения соединенных по поверхности клепкой, пайкой или сваркой.

При нагревании биметаллической пластинки на температуру ∆T составляющие ее атомы получают дополнительную энергию ∆E=k∆T (где k=1.38^.10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана), что приводит к увеличению амплитуды их колебаний, таким образом объем каждой из пластинок увеличивается. Но из-за различия в коэффициентах расширения их размеры изменяются по-разному, вследствие чего пластинка отклоняется в одну сторону, если нагревается и в противоположную, если охлаждается. При нагревании металл с большим коэффициентом расширения оказывается на внешней части пластины, при охлаждении наоборот.
Кривизна (обратная радиусу величина) биметаллической пластинки определяется формулой 1.

(1)

где ε=(α₁-α₂)∆T; ∆T- разность температур между начальным состоянием (без изгиба) и конечным состоянием; α₁, α₂ - соответствующие коэффициенты теплового расширения; E₁,E₂ - соответствующие модули Юнга материалов; h₁,h₂ - толщины материалов в направлении, перпендикулярном плоскости касания металлов.
Обычно при изготовлении пластинок используют медь и сталь. Кроме того существуют неметаллические аналоги, представляющие собой спаи стёкол и керамиков с различными коэффициентами температурного расширения. Такие пластинки предназначены для работы в агрессивных средах.

 

 

Примеры использования: часы, термостаты, термометры, защитные устройства, переключатели, устройства для микроперемещений, тепловые двигатели.

Изгибающаяся биметаллическая пластина управляет электрическими контактами, замыкающими или размыкающими цепь подогревателя. (В случае защитных устройств — отключающие электропитание нагрузки).

Могут сводить-разводить контакты постепенно (дешёвая ненадёжная конструкция — контакты искрят и обгорают), а могут срабатывать скачком (механическая бифуркация), сразу перемещая контакт на несколько миллиметров (щелчки от таких переключений слышны при работе утюгов).

Защитные устройства (предохранители) могут быть как самовосстанавливающимися, так и требующими вмешательства персонала (предполагается, что персонал найдёт и устранит причину неполадки, и только потом вернёт предохранитель во включённое состояние).

Биметаллическая пластина с контактом и с подогревателем (применяется обмотка из высокоомного провода либо сама пластина, по которой пропускают ток).

Применяется для переключения режимов работы устройств после их включения (например, в стартёрах люминесцентных ламп и электромоторов). В этом случае нагрев пластины продолжается всё время, пока устройство включено.

Если пластина после нагрева и изгиба отключает также и свой подогреватеть, то через некоторое время она остывает, вновь замыкает цепь, опять нагревается и отключает цепь. И так далее. Получается простой (и не очень стабильный) низкочастотный генератор прямоугольных импульсов, применяемый, например, в ёлочных гирляндах.

Разновидность биметаллического термометра с подогревателем. В зависимости от схемы включения может быть вольтметром или амперметром. При работе потребляет много энергии, однако совершенно не содержит трущихся механических частей. Просты, вибростойки, мало чувствительны к загрязнениям, как правило, самовосстанавливаются при отсыревании. До сих пор широко применяются в автомобильной электронике.

Применяются для термокомпенсации хода часов. Могут изменять диаметр разрезного обода баланса, сделанного из биметаллической пластины, либо изменять действующую длину пружины баланса.

Термометры
Длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.

В термографах биметаллическая пластина через систему рычагов управляет пером самописца, рисуюущим график изменения температуры (применяется в метеорологии).

Преобразование разности температур в механическую работу. Существуют простые игрушки для демонстрации возможности работы таких двигателей.

Предметы (типа «препарата», рассматриваемого в микроскоп) с помощью биметаллических пластин с подогревателями можно перемещать в небольших пределах. Величина перемещения регулируется дистанционно изменением тока через подогреватели.

Недостаток: величина перемещения непостоянна и зависит от условий охлаждения (окружающей температуры, сквозняков и т.п.)

Длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.

Тепловым расширением называется эффект изменения размеров тела с изменением температуры при постоянном давлении. Это явление для твердых тел обусловлено несимметричностью потенциала взаимодействия атомов вещества в решетке, что приводит к ангармонизму колебаний атомов относительно среднего положения. Для газов это обусловлено увеличением кинетической энергии молекул и атомов.

Количественно тепловое расширение при постоянном давлении Р характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объемного или линейного).

Коэффициент объемного расширения a определяется как относительное изменение объема V при нагревании тела (твердого, жидкого или газообразного) на 1 К.

,

здесь Т - абсолютная температура тела.

Практическое значение a вычисляется по формуле:

,

где V₁, V₂ - объемы тела при температурах Т₁ и Т₂ , соответственно (Т₁<Т₂).

Для характеристики теплового расширения наряду с a используется коэффициент линейного расширения a_L:

,

где l - размер тела в данном направлении.

В общем случае поликристаллических анизотропных тел, состоящих из анизотропных монокристаллов, a_L=a_x+a_y+a_z, причем различие или равенство линейных коэффициентов теплового расширения a_x, a_y, a_z вдоль кристаллографических осей х, у, z  определяется симметрией кристалла. Например, для кристаллов кубической системы, так же как и для изотропных тел a_L= a_x= a_y= a_z и a = 3a_л. Для большинства тел a>0, но существуют и аномалии. Например, вода при нагреве от 0 до 40С в условиях нормального атмосферного давления сжимается (a<0). Зависимость a (Т) наиболее заметна у газов (для идеального газа a=1/Т); у жидкостей она проявляется слабее. У ряда веществ в твердом состоянии (кварца, инвара и т.д.) коэффициент a мал и практически постоянен в широком интервале температур. При Т~0, a~0. Коэффициент a и a_L определяются экспериментальными методами.