Les lames bimétalliques (bimetallic strips) expliquées : transformer la chaleur en mouvement mécanique

Une lame bimétallique est un dispositif simple qui convertit l'énergie thermique en mouvement mécanique. Elle est utilisée comme interrupteur activé thermiquement ou indicateur de chaleur et fonctionne sur le principe de l'expansion différentielle de métaux dissemblables chauffés. La lame bimétallique est composée de deux métaux différents qui sont liés ensemble pour former une bande plate et droite ou une bobine concentrique. Lorsque la bande est chauffée, l'un des métaux chauffe et se dilate plus vite que l'autre, provoquant le pliage de la bande. Cette déviation mécanique est ensuite exploitée de diverses manières pour commuter des circuits électriques ou déplacer une aiguille pour donner une indication de valeur de chaleur.

Physique de la dilatation différentielle

Lorsque tout solide, fluide ou gaz est chauffé, ses molécules commencent à s'éloigner les unes des autres, entraînant une dilatation. Tant qu'un matériau chauffé n'est pas contenu à un moment donné, il se dilatera de manière équilibrée. Si, pour une raison quelconque, le matériau est contenu ou empêché de se dilater le long de l'une de ses surfaces, la dilatation non contenue dans le reste du matériau le fera se dévier ou se plier. Évidemment, certains matériaux chaufferont plus vite ou se dilateront plus que d'autres selon leur structure moléculaire. Si deux tels matériaux dissemblables sont liés ensemble, celui qui chauffe plus lentement restreindra la dilatation le long d'une face de l'autre et fera se produire ce phénomène de déviation.

Construction et matériaux typiques

Ce principe de déviation thermique de matériaux dissemblables est utilisé pour fournir un mouvement mécanique lié à la chaleur dans une large gamme d'équipements électriques et de mesure. Les lames bimétalliques sont généralement construites de deux métaux dissemblables avec le laiton et l'acier et le cuivre et l'acier étant des combinaisons typiques. Les deux matériaux sont généralement soudés, brasés ou rivetés ensemble pour produire une union uniforme et sécurisée entre les deux faces de contact. Les lames bimétalliques peuvent être formées comme des éléments de type ressort droit ou bobine concentrique. Leur déviation physique lorsqu'elles sont chauffées est ensuite exploitée de diverses manières pour atteindre différentes fonctions.

Applications : thermostats, thermomètres, protection thermique

L'une des méthodes les plus courantes d'utilisation de la déviation d'une lame bimétallique est d'employer la bande comme contact électrique pour faire ou rompre des circuits. Les thermostats de chauffage sont un bon exemple de ce type d'application et utilisent la bande droite non chauffée pour maintenir le contact avec un point de commutation et garder le circuit du chauffage actif. Lorsque la température monte à un point prédéterminé, la bande chauffe et se plie, rompant ainsi le circuit et éteignant le chauffage. Lorsque la bande refroidit à nouveau, elle se redresse et réactive le circuit de chauffage. Cela permet de maintenir une plage de température constante.

La lame bimétallique de type bobine a tendance à se dérouler à mesure qu'elle chauffe et tourne l'aiguille d'un thermomètre à cadran pour indiquer une valeur de température. Les lames bimétalliques sont également utilisées comme dispositifs de surcharge thermique pour couper l'alimentation électrique des équipements électriques lorsqu'ils tirent un courant excessif ou surchauffent physiquement. Les caractéristiques d'expansion connues des différents métaux dans la lame bimétallique permettent un ajustement très précis de ces dispositifs pour fonctionner à des températures exactes. Cela fait des bandes une méthode fiable et abordable d'utiliser la chaleur comme entrée de contrôle ou de mesure.