La energía requerida para ionizar los átomos del gas en el arco eléctrico principalmente proviene del choque entre estos y los electrones emitidos por el cátodo al someterse al elevado calor del arco. Si el gas tiene elevado potencial de ionización o es un gas poli-atómico "más de un átomo" (ejemplo: O2 o CO2) requiere más energía para ionizarse haciendo que los electrones que choquen con ellos sean frenados de forma un poco más sensible que si el gas tiene bajo potencial de ionización y su impacto final con el otro electrodo (ánodo) será de menor nivel de energía.
De manera similar, si el cátodo o emisor de electrones tiene más poder de emisión (Función de Trabajo) el nivel de energía que llegue al otro electrodo (ánodo) será mayor.
El poder de emisión del cátodo depende del tipo de material que lo forma y tiene un valor constante para cada uno. Como regla general, los materiales con mejor conductividad tienen más bajo poder Termoiónico o Función de Trabajo la cual se mide en electrón Volts.
Los metales refractarios como el tungsteno pueden ser cátodo termoiónico (al calentarse se vuelven emisores muy buenos de electrones), pero los metales con bajo del punto de ebullición tal como Fe, Al y los buenos conductores, no pueden ser cátodo termoiónico.
En el caso de materiales no-termoiónicos, el mecanismo de la emisión de electrones se debe considerar sin la emisión termoiónica.
En la vecindad de los electrodos el gas no se encuentra a tan alta temperatura como en la columna de plasma debido al efecto refrigerante de estos por lo cual no se establece la ionización ni se satisface la ley de la neutralidad de la carga. Esto genera un exceso de cargas positivas adyacentes al ánodo y negativas al cátodo, lo que provoca las caídas anódica Va y catódica Vc, la energía total está dada por:
V representa el voltaje en los bornes de la fuente de poder y es la suma del voltaje anódico Va, voltaje catódico Vc y el voltaje de la columna de plasma Vo.
El voltaje de la columna de plasma depende fuertemente del campo magnético generado por el paso de la corriente eléctrica a través del electrodo, el campo magnético a su vez está influenciado por el potencial de ionización del gas.
Tanto el Voltaje Anódico como el catódico principalmente dependen de la Función de Trabajo del electrodo es decir de su capacidad de emitir electrones al calentarse.
La zona que concentre el mayor potencial dispone de más energía para acelerar los electrones haciendo que estos se impacten con mayor velocidad. Mayor energía cinética es transformada en mayor energía térmica "calor", fundiendo la zona del impacto.
La energía cinética "½mv2"se modifica dependiendo de la masa "m" (cantidad de electrones emitidos por la Función Termoiónica del cátodo) y por la velocidad "v" (potencial disponible para acelerarlos una vez que se ha dado la ionización).
Va región de caída de tensión anódica
Vc región de caída de tensión catódica
Vo región de caída de tensión de la columna de plasma
El Arco eléctrico es una suma de Tensiones
CONCLUSIONES
El efecto de penetración es regido por la energía cinética de los choques producidos en la superficie de los electrodos.
La principal evidencia de mayor energía cinética en cada zona del arco eléctrico es la caída de tensión existente en ellas. A mayor potencial mayor energía cinética y como consecuencia mayor calor y mayor penetración.
La diferencia de potencial en cada zona se debe al Potencial de Ionización del gas empleado y a la Función de Trabajo (Emisión Termoiónica del electrodo). Es posible cargar la Mayor Caída de Tensión como sea conveniente hacia el ánodo o cátodo dependiendo el efecto que se desea. Si el electrodo es Termoiónico tiene facilidad para emitir electrones por lo que se coloca en el cátodo "-" (emisor natural de electrones) dando un efecto multiplicador al número de electrones disponibles y por lo tanto de choques de estos que se darán con el ánodo "+" (Va>Vc) fundiéndolo. Al colocar el electrodo Termoiónico en el ánodo la moderada cantidad de electrones salientes del cátodo se impactará con los átomos de gas ionizándolo rápidamente y el efecto multiplicador hará que muchos electrones alcancen a colisionar con el ánodo fundiéndolo un poco a pesar del elevado punto de fusión del material refractario del electrodo. Si el electrodo es no termoiónico "Bajo punto de fusión" se puede colocar en el ánodo o cátodo, si se coloca en el cátodo "-" como no es tan buen emisor de electrones y si se combina con un gas de rápida ionización (bajo Potencial de Ionización pero "Poli-atómico") , se requerirán más choques de los escasos electrones recién emitidos para descomponer el gas casi a la salida del electrodo liberando gran cantidad de energía suficiente para fundirlo (Vc>Va), muy pocos electrones lograrán impactar con el ánodo "+" y los que lo hagan llevarán un nivel de energía menor porque gran parte de ella la habrán perdido al descomponer el gas poli-atómico comúnmente empleado como medio de protección gaseosa, si el mismo electrodo no termoiónico se coloca en el ánodo "+", ahora el trabajo es el que no tiene suficiente capacidad de emitir electrones y los pocos que sean emitidos se impactarán casi a su salida con los átomos de gas que demandan muchos choque para descomponerse, originando la elevada temperatura que lo funde y da el efecto de penetración (Vc>Va).
BIBLIOGRAFÍA
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RUIZ RUBIO Alfonso. Inspección Radiográfica de las Uniones Soldadas. URMO S.A. de Editores, 1981, España.
El artículo presentado es solo el punto de vista de quien lo redacta y procede de la interpretación del compendio de varias publicaciones del tema incluidos otros artículos que no se mencionan.
Monterrey, N.L. México, Abril 18 de 2008.
Autor:
Rogelio Arazo Rodríguez
Ingeniero Industrial, Esp. Procesos de Automatización y Robótica. IPN.
Ingeniero de Servicio. Lincoln Electric Mexicana.
rarazo[arroba]lincolnelectric.com.mx, arazo.r[arroba]hotmail.com
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