Termômetro bimetálico

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Comecemos pelo bimetal, que consiste numa chapa composta de duas folhas de metais diferentes passadas no laminador a temperatura bastante elevada que faz com que elas adiram fortemente uma à outra. Às vezes, ao invés da técnica do laminador, as duas folhas são justapostas e soldadas à ponto. 

As lâminas de bimetal são fabricadas para diversos fins; por exemplo: para unir, a resistência mecânica de uma folha, com a elevada resistência à corrosão de outra; ou mesmo para aproveitar os efeitos dos diferentes coeficientes de dilatação térmica; esse último é o que nos interessa no momento. 
De fato, se unirmos duas lâminas metálicas que têm coeficientes de dilatação lineares a₁,a₂ muito diferente, a deformação provocada pelos diferentes alongamentos, ou contrações, das partes sob a ação de uma variação de temperatura, pode ser usada para diversas aplicações. 

Para tais aplicações a forma mais usual do bimetal é a lâmina bimetálica, constituída de duas tiras finas de diferentes metais, que se faz aderir face a face com um processo de laminação ou de compressão. À certa temperatura (de repouso) as duas tiras têm o mesmo comprimento e a lâmina se apresenta plana, posição (1) na ilustração.

Um aumento de temperatura provoca nela a uniforme flexão no sentido do comprimento de modo que o metal A, menos sensível às variações térmicas, permanece no interior da concavidade (posição 2), ou seja, na face côncava. 
Uma diminuição de temperatura provoca a deformação inversa (posição 3) ficando o material A (menor coeficiente de dilatação linear) na face convexa.

Os materiais usados correntemente são ligas de ferro e níquel cujos coeficientes de dilatação linear dependem fortemente da porcentagem de níquel; se esta porcentagem é de 36% obtém-se a liga invar que possui um a extremamente pequeno (daí seu nome, invariável). O latão e o invar constituem um bom par para a lâmina bimetálica.
Para uma lâmina como a da ilustração acima pode-se assumir h como a medida da deformação provocada por uma variação de temperatura Dq em relação à de repouso: em primeira aproximação a deformação é dada por:

h = (2L²/s).Da.Dq

 onde L é o comprimento natural da lâmina, s é sua espessura e Da representa a diferença entre os coeficientes de dilatação linear dos dois materiais. 

Dentro das aproximações perfeitamente válidas, apresento a demonstração sugerida por Fábio Pitombeira (sfabiops@yahoo.com.br), professor de Física do Ensino Médio de duas escolas na cidade de Limoeiro do Norte, interior do Ceará.

Para uma lâmina ferro-invar com L = 30 mm, s = 0,5 mm e para Dq = 1 ^oC, resulta h ~ 0,04 mm. 

As dimensões das lâminas bimetálicas dependem das características de robustez, de sensibilidade e de rapidez requeridas para as suas diversas aplicações; a espessura é geralmente compreendida entre 0,05 a 5 mm. 
Nos dispositivos com lâmina bimetálica uma extremidade da lâmina é mantida fixa e é usado o deslocamento da extremidade livre para efetuar alguma ação. Tal deslocamento, eventualmente ampliado, pode ser transmitido a um indicador móvel sobre uma escala graduada: o dispositivo, uma vez calibrado, constitui um termômetro bimetálico (muito comum em tampas de fornos dos fogões a gás). 

Mais freqüente é o uso de lâminas bimetálicas em aparelhos que efetuam automaticamente a abertura e o fechamento de um circuito elétrico onde a comutação pode ocorrer para valores preestabelecidos de
temperatura. Eis uma ilustração didática para um alarme contra incêndio:

Aplicações típicas e muito difundidas são constituídas pelos interruptores de pulsação automática (intermitentes) nos quais o ligar e desligar de uma ou mais lâmpadas são comandados por uma lâmina bimetálica aquecida por um um resistor de resistência R em série com a lâmpada. 
Os termo-reguladores ou termostatos e os interruptores automáticos de sobrecarga funcionam sob este princípio básico das lâminas bimetálicas (abaixo, à direita). Nas decorações de árvores de natal mediante pequenas lâmpadas, uma das lâmpadas usa o próprio calor dissipado em seu funcionamento para acionar um interruptor bimetálico, em série (abaixo, à esquerda).