3.4 MECANISMOS DE EMISSÃO DE ELÉTRONS

Como foi dito anteriormente, para a existência do arco, elétrons devem ser emitidos em quantidades suficientes para manter a corrente do arco. Em um material metálico, os elétrons de valência são compartilhados por todos os átomos do material, formando uma nuvem eletrônica ligada a estes. Para retirar elétrons desta nuvem e do material, uma quantidade mínima de energia deve ser fornecida a ele. Este limite mínimo de energia que tem que ser fornecido ao material para o mesmo emitir elétrons define-se como “função de trabalho” do material (Guile, 1970 e 1971).

Para causar a emissão de elétrons no cátodo, diversos mecanismos podem entrar em operação. Na descarga luminescente, íons positivos são acelerados pela elevada tensão na região do cátodo (102 V), chocando-se com este com elevada energia cinética de forma a causar a emissão de elétrons pelo material. Outros mecanismos (choque de

átomos nêutrons e de fótons no cátodo) parecem auxiliar a emissão de elétrons neste tipo de descarga (Guile, 1970 e 1971).

Na soldagem a arco, outros mecanismos de emissão parecem ser mais importantes, destacando-se a emissão termiônica, em cátodos de material refratário, como tungstênio e o carbono, e os mecanismos de emissão a frio (emissão não termiônica), nos processos com eletrodo consumível. O mecanismo de emissão a frio ainda é relativamente pouco conhecido. Em condições usuais de soldagem, ele parece estar associado com a presença de filmes de óxidos na superfície do cátodo, em materiais de pontos de fusão e ebulição mais baixos do que os materiais que acontece a emissão termiônica.

3.4.1 - Emissão termiônica

A emissão termiônica é o método mais simples e mais bem conhecido para a emissão de elétrons. Pelo conceito de “função de trabalho” exposto acima, vê-se que, se o metal for aquecido suficientemente, elétrons poderão receber energia maior que um limite mínimo para liberá-los do metal. O fenômeno de elétrons saindo do metal devido ao recebimento deste de energia pelo aquecimento do material é chamado de “emissão termiônica” (Guile, 1970; Vick et al.2002). Quanto maior for a função de trabalho do material, maior deverá ser a temperatura necessária para a emissão de uma certa quantidade de elétrons por unidade de tempo e de área superficial do cátodo.

A densidade de corrente (J) resultante do efeito termiônico pode ser estimada pela equação de Richardson-Dushman (Eq.3.2) (Guile, 1970):

φ − = kT e exp . AT J 2 Eq. 3.2 Onde:

A = Constante que vale entre 6-7x105 Am-2K-2 para a maioria dos metais. T = Temperatura (K).

e = Carga do elétron (1,6x10-19 C).

φ = Função termiônica de trabalho do material (V). k = Constante de Boltzmann (1,38x10-23 J/K).

De acordo com a equação 3.2 pode-se verificar que a densidade de corrente para a emissão termiônica depende criticamente da temperatura da superfície do cátodo. Logo, a aplicação desta equação mostra que a emissão termiônica pode se aplicar para materiais refratários, como tungstênio e o carbono, mas que este mecanismo não deve ter uma participação importante na emissão de elétrons em cátodos dos metais mais utilizados em componentes soldados como ferro e o alumínio. (Guile, 1970; Lancaster, 1986; Jonsson, et al. 1995; Machado, 1996; Ushio, 1988).

3.4.2 - Emissão não termiônica

A maioria dos materiais utilizados em soldagem vaporiza em temperaturas bem menores do que as requeridas para a geração das densidades de correntes utilizadas neste processo através de emissão termiônica. Nesta condição, observa-se a formação de pontos catódicos que apresentam características diferentes das discutidas no item anterior. Eles se formam em grande número na superfície do cátodo, sendo caracteristicamente móveis, com vários pontos se formando de forma errática e de curta duração sobre o eletrodo. Contudo, os fenômenos relacionados com este tipo de cátodo são bem menos compreendidos do que a emissão termiônica.

Diversos mecanismos foram propostos para explicar a emissão não termiônica de elétrons, existindo ainda dúvidas sobre qual ou quais mecanismos operam em uma dada situação. De acordo com Guile e Juttner, (1980), Lancaster (1986) e Machado (1996), existem pelo menos três tipos de cátodos não termiônicos (também chamados “frios”), os quais são: (a) Vapor, se formando sobre metais sem filme de óxidos sobre a superfície; (b) Tunelamento, sobre camadas finas de óxidos (menor que 10 nm); (c) chaveamento (“switching”), sobre camadas mais espessas de óxidos (acima de 10 nm). Estudos experimentais com o uso de filmagens de alta velocidade e observação por microscópica eletrônica de varredura, das marcas do arco formadas na superfície do cátodo (Jutner, 2001a e b) indicam que cátodos não termiônicos são caracterizados pela formação e decaimento muito rápido (durações da ordem de 1 a 102 ns) de inúmeros pontos microscópio de emissão. A densidade de corrente nestes sítios é estimada entre

2 x 1011 e 1014 A/m2, muito superior aos valores associados com a emissão termiônica (106 a 108 A/m2). Os pontos de emissão tendem a se agrupar em manchas móveis e brilhantes na superfície do cátodo. Camadas superficiais de óxidos podem ser destruídas pela ação das manchas catódicas.

Existem fortes evidências de que, na soldagem a arco com proteção gasosa e, possivelmente, com proteção de fluxo, a presença de filmes de óxidos de espessura microscópica na superfície do cátodo desempenha um papel importante na emissão não termiônica de elétrons. Embora o mecanismo desta emissão não seja completamente conhecido, aparentemente envolve a formação de campos elétricos extremamente intensos na camada de óxido, resultante da adsorsão de íons positivos, o que leva a formação de filetes condutores no óxido, emissão de elétrons, destruição da camada neste local e, consequentemente, do ponto de emissão (Juttner, 2001a)

Em ambientes em que a camada de óxido não pode ser regenerada (por exemplo, em vácuo) mecanismos alternativos de emissão não termiônica de elétrons parecem operar após a destruição da camada de óxido. Existem evidências de que, também na soldagem, mecanismos diferentes de emissão de elétrons podem operar, ou competir entre si, e resultar em perturbações no comportamento do arco (Modenesi, 1990, Tong

et al.2005).