Em se tratando do processo de soldagem, Pergunta-se:
4) A pressão devido ao componente estático sobre a poça aumenta
ou diminui com o aumento da corrente?
(lembrar que o aumento da corrente pode também aumentar o
diâmetro do arco sobre a poça)
4) A pressão devido ao componente estático sobre a poça aumenta
ou diminui com o aumento da corrente?
(lembrar que o aumento da corrente pode também aumentar o
diâmetro do arco sobre a poça)
Passo 1
Vou deixar bem claro o que a pergunta pede e quais informações já temos. A pergunta é: “A pressão devido ao componente estático sobre a poça aumenta ou diminui com o aumento da corrente?” Observação importantíssima do enunciado: o aumento da corrente pode alterar também o diâmetro do arco sobre a poça.
Informações relevantes (explícitas ou implícitas):
Informações relevantes (explícitas ou implícitas):
- Há uma pressão estática exercida pelo arco/plasma sobre a poça de solda.
- A corrente elétrica do arco é a variável que vamos aumentar.
- O aumento da corrente pode afetar dois fatores que determinam essa pressão: a intensidade do efeito (força) gerado pelo arco e a área sobre a qual essa força se distribui (diâmetro/raio do arco).
Passo 2
O que entendemos por “componente estático da pressão” na poça. Em termos físicos práticos existem duas contribuições principais que pressionam a poça:
- Uma pressão magnética (efeito “pinch” ou pressão magnética) associada ao campo magnético gerado pela corrente.
- Uma pressão do plasma/gás que se choca (stagnation/dynamic pressure) devido ao escoamento quente do arco sobre a poça.
Vou analisar primeiro a pressão magnética porque ela tem expressão relativamente simples e enseja uma regra clara de dependência com a corrente.
Passo 3
Derivando a dependência da pressão magnética com a corrente.
Para um arco razoavelmente cilíndrico, o campo magnético tangencial a uma distância do eixo vale, pela lei de Ampère (aproximação de fio longo):
Para um arco razoavelmente cilíndrico, o campo magnético tangencial a uma distância
onde
é a permeabilidade do vácuo e
é a corrente. A “pressão magnética” (pressão associada ao campo magnético) é
Substituindo
obtemos
Interpretação imediata: mantendo o raio
do canal do arco fixo, a pressão magnética cresce como o quadrado da corrente:
Aqui as variáveis significam:
= corrente do arco,
= raio efetivo do canal de corrente/arc,
= pressão magnética estática sobre a poça.
Passo 4
Comportamento do componente de pressão do plasma/gás. A contribuição de estagnação do escoamento do plasma pode ser estimada por uma forma de pressão dinâmica:
onde
é a densidade efetiva do plasma/gás e
a velocidade de impacto do jato de plasma na poça. A corrente maior normalmente aumenta a energia entregue ao plasma (maior aquecimento e expansão), tendendo a aumentar
e a pressão térmica local, então, em termos qualitativos,
mas essa dependência é complexa (passa por temperatura, ionização, geometria do arco) e não é tão facilmente reduzida a uma potência simples de
. Contudo o ponto chave é: tanto
quanto
tendem a subir quando a corrente aumenta, se a geometria do canal (raio) permanecer aproximadamente igual.
Passo 5
Efeito do aumento do diâmetro do arco (distribuição da força sobre área maior). A pressão que sentimos na poça é uma força por unidade de área. Se o aumento de corrente fizer o arco se alargar (ou seja, o raio
aumenta com
), a mesma força (ou mesmo uma força maior) será distribuída sobre área maior, reduzindo a pressão média/local. Para tornar isso quantitativo, suponha uma lei de escala simples
para algum expoente
. Substituindo na expressão de
temos
Consequências:
- Se
(raio praticamente constante), então (a pressão aumenta fortemente com ). - Se
, então (aumenta linearmente). - Se
, então (praticamente independente de ). - Se
, então diminui com .
Isto mostra matematicamente que o efeito combinado depende de como o raio do arco cresce com a corrente.
Passo 6
Resumo físico e resposta prática (como responder na prova). Reunindo tudo:
- As contribuições físicas individuais (pressão magnética e pressão do plasma) tendem a aumentar quando a corrente aumenta — sobretudo se a geometria do arco não mudar muito.
- Porém, se o aumento da corrente provocar uma expansão do arco (aumento de
ou do diâmetro) grande o suficiente, a pressão por unidade de área sobre a poça pode cair porque a força se distribui sobre uma área maior.
Portanto a resposta curta e correta é condicional: a pressão estática sobre a poça pode aumentar ou diminuir com o aumento da corrente — o comportamento depende de como o raio/diâmetro do arco varia com a corrente. Matematicamente, para a contribuição magnética:
logo o sinal da variação de
com
depende do crescimento de
com
.
Passo 7
Como responder na prova em uma linha curta e objetiva (boa formulação para o examinador): diga primeiro o resultado geral e depois a justificativa curta:
- Frase pronta: “Geralmente a pressão estática tende a aumentar com a corrente, mas pode diminuir se o diâmetro do arco aumentar de forma a espalhar a força sobre área maior; em termos simples
.”
Isso mostra compreensão física e contém a relação matemática que justifica a resposta.
Resposta
A pressão estática tende a aumentar com o aumento da corrente, mas pode diminuir se o diâmetro do arco crescer suficientemente (pois
, então o efeito líquido depende de como
varia com
).