La Energía Cinética en el Arco Eléctrico.

Sin importar la naturaleza del procedimiento de soldadura empleado, en el arco eléctrico producido siempre hay una constante: Voltaje, corriente eléctrica, flujo de electrones o temperatura; estas son efectivamente variables muy importantes, sin embargo; en realidad cada una de ellas es un efecto subordinado a algo aún mas elemental: La colisión de partículas. El proceso de colisión (Energía cinética “½mv2”) en el arco eléctrico hace posible la conversión de energía eléctrica (Diferencia de potencial eV) en energía térmica y la consecuente transferencia de calor y de metal. Para comprender el proceso de colisiones es necesario hablar un poco del átomo. En el arco eléctrico están involucradas tres partículas básicas: Electrones, átomos e iones (átomos con carencia o exceso de electrones). Un átomo e incluso un ión, por ejemplo de Argón, pesa 50000 veces mas que un electrón y es unas 5000 veces mas grande de diámetro.

Algo similar a comparar Pelotas de playa con bolas de Ping-pong. Supongamos que tomamos algunos átomos y electrones “Pelotas de Playa y de Ping-pong” además supongamos dos situaciones:

1. Que ambas tienen la propiedad de elasticidad ideal y
2. Que la Pelota de playa tiene unos recintos pegajosos donde pueden quedar atoradas las de Ping-pong.

Si se meten las pelotas de Playa y de Ping-pong en una caja y se agitan moderadamente, las pelotas de Ping-pong atrapadas en los recintos pegajosos de las de Playa no se liberaran, eventualmente todas las pelotas se moverán a la misma velocidad. Algo similar ocurre con los átomos de un gas contenidos en un cilindro. Si ahora tomamos la caja y la agitamos violentamente, las pelotas de Ping-pong serán liberadas inicialmente por los impactos entre Pelotas de Playa y aceleradas a altas velocidades teniendo algunos impactos con las pelotas de Playa y entre ellas liberando aun más pelotas de Ping pong. Ocasionalmente algunas pelotas de Ping-pong quedaran atrapadas en los recintos pegajosos de las de Playa, pero seguramente serán liberadas nuevamente por subsecuentes colisiones. Los pequeños y ligeros electrones se pueden mover a elevadas velocidades comparados con los pesados átomos e iones. La velocidad de los electrones es cercana a las 3000 mph en tanto que los iones viajan a ½ mph en el arco eléctrico (es decir prácticamente permanecen estáticos), la velocidad de las partículas es un indicativo de la temperatura que producen al chocar. Cuando un electrón se incrusta en un recinto de un ión es emitido un destello lo que da origen al brillo del arco eléctrico. La pegajosidad de los recintos de las Pelotas de Playa (átomos) varía de gas a gas y este grado de pegajosidad se llama Potencial de Ionización el cual se mide en electrón Volts. A mayor Potencial de Ionización es mas difícil establecer arco de soldadura con ese gas y requiere mayor energía para liberar los electrones (Ionizarse). La liberación de electrones durante las colisiones es llamada ionización térmica y la distribución del movimiento entre las partículas es referida como equilibrio térmico.

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 “mas de un átomo” (ejemplo: O2 o CO2) requiere mas energía para ionizarse haciendo que los electrones que choquen con ellos sean frenados de forma un poco mas 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 mas 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 mas bajo poder Termoiónico o Función de Trabajo la cual se mide en electrón Volts.

En Conclusión

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 mas 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).
Documento original: de R. Arazo, Lincoln Mexico.