Вы когда-нибудь думали о том, как выключается чайник, когда он закипел? Или, например, как он отключается, если вы забыли налить в него воду? Там какой-то термометр? Не совсем.
Чтобы понять, что же там внутри клацает, возьмём две отдельных пластинки одинакового размера, но сделанных из разных металлов. Одну из латуни, а вторую из стали:
… и нагреем их:
В чем причина того, что они увеличились в разной степени?
Всё дело в коэффициенте линейного теплового расширения. Для латуни он составляет 19×10-6 К-1, а для стали — около 12×10-6. Это значит, что если обе пластины нагреть на одинаковое число градусов, латунная расширится в 1,5 раза сильнее, чем стальная.
Теперь соединим пластины вместе и снова их нагреем. Латунная часть всё так же стремится расшириться сильнее. И поскольку они соединены, мы увидим следующую картину:
Мы наблюдаем проявление свойства биметаллов — они изменяют свою форму при нагреве. Ему нашлось множество применений — например, в механческих часах, термометрах, термостатах, и т.д.
Но вернёмся к нашему чайнику. Как он устроен?
Корпус, нагревательный элемент и… какая-то электроника? Но мы уже знаем про биметаллы, так что полупроводники не требуются. Он управляется двумя небольшими пластинками:
Эта вступает в действие, когда закипает вода:
Как видите, когда вы нажимаете кнопку, пластинка выгибается и замыкает контакты. При достаточном нагреве она выгибается назад и размыкает цепь.
Но подбирать характеристики пластинки так, чтобы она выключала чайник ровно при 100 °C, не нужно, поскольку она не контактирует с водой. Она нагревается паром, который проходит через отверстие под крышкой.
Температура не имеет значения, поскольку пар появляется только когда вода кипит. Остроумно, правда? Устройство будет отлично работать и на Эвересте, где вода закипает при 68 °C.
Вторая пластинка касается нагревательного элемента. Когда вы забываете налить воду в чайник перед включением, она спасает элемент от перегрева, а вашу кухню — от пожара.
Вот почему вы слышите в этом случае щелчок, а чайник после этого несколько секунд не включается. Биметаллической пластинке нужно время, чтобы остыть и восстановить форму.
И несмотря на то, что этим фотографиям уже 15 лет, не волнуйтесь — ваш новенький блестящий Wi-Fi чайник работает точно так же, даже если его термостат выглядит иначе.