التمدد الحراري للمواد الصلبة – قضبان فلزية وشريط ثنائي الفلز

ماذا تعرض

عند تسخين جسم صلب تهتز جسيماته أكثر وتشغل حيزًا أكبر قليلًا، فيتمدد؛ وعند تبريده ينكمش. وفي القضيب تكون الزيادة في الطول ΔL = α·L₀·Δt، أي إنها تتناسب مع الطول الأصلي ومع الارتفاع في درجة الحرارة، أما معامل التمدد الطولي α فيعتمد على المادة: نحو 23 × 10⁻⁶ /K للألومنيوم و17 × 10⁻⁶ /K للنحاس و12 × 10⁻⁶ /K للفولاذ. ويتكوّن الشريط ثنائي الفلز من فلزين يتمددان بمقدارين مختلفين، فينحني عند التسخين نحو الفلز الأقل تمددًا، وهذا هو المبدأ الذي تعمل به كثير من منظمات الحرارة.

طريقة الاستخدام

في وضع «ثلاثة قضبان فلزية وساعات قياس» اضغط «أشعل الموقد» وراقب ساعات القياس الثلاث مع ارتفاع حرارة القضبان. اضغط «تسجيل البيانات» عند عدة درجات حرارة، ثم أطفئ الموقد وقارن عمودي ΔL وα في الجدول. غيّر «الطول الابتدائي لكل قضيب» أو «أقصى درجة حرارة للتسخين» وكرر التجربة لتختبر ما يعتمد عليه ΔL. ثم انتقل إلى «شريط ثنائي الفلز»، وسخّنه، ولاحظ متى ينفتح التلامس وينطفئ المصباح.

المعاملات القابلة للتغيير

• التجربة ثلاثة قضبان فلزية وساعات قياس, شريط ثنائي الفلز من النحاس والفولاذ
• الطول الابتدائي لكل قضيب 200–1000 mm
• درجة حرارة الغرفة 10–35 °C
• أقصى درجة حرارة للتسخين 60–300 °C

أسئلة للاستكشاف

1. عند الارتفاع نفسه في درجة الحرارة، أي القضبان يزداد طوله أكثر وأيها أقل؟
2. إذا ضاعفت الطول الابتدائي L₀، فماذا يحدث للزيادة ΔL عند الارتفاع نفسه في درجة الحرارة؟
3. لماذا ينحني شريط النحاس والفولاذ نحو الفولاذ عند تسخينه، وكيف يطفئ ذلك المصباح؟