Al principio, cuando la gente pensaba en la física básica del procesamiento de materiales con haces de electrones, no era sorprendente el hecho de que la partícula más ligera, el electrón, pudiera usarse como fuente de calor con su amplia energía cinética. Como todos los órdenes de magnitud de la masa atómica, la masa en reposo del electrón, 9.1X10-23g, está más allá de nuestra comprensión (la masa de un protón cargado positivamente es aproximadamente 1836 veces la masa de un electrón). En la conversión de energía cinética, la carga compensa la pequeña masa del electrón. La fuente de la corriente del haz de electrones es la carga negativa elemental de 1.6 x 10-19°C. La ventaja de la carga es que, mediante un campo eléctrico, los electrones pueden acelerarse a las altas velocidades energéticas necesarias para la soldadura. Como se muestra en la Figura 2-1, un voltaje típico de aceleración de soldadura de UA=150 kV=1.5×105V, en un vacío superior a 10-4 mbar, puede acelerar electrones a una velocidad de 2×108 m/s, que es aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad, la masa del electrón aumenta a esta alta velocidad, lo que hace que su energía cinética newtoniana (1/2mv²) también aumente aproximadamente un 35%.
Figura 2-1 Relación entre el voltaje de aceleración y la velocidad del electrón.
Los electrones unidos a átomos normalmente ocupan sólo orbitales de energía fija llamados capas. La razón de la alta conductividad eléctrica de los metales es que los electrones externos están débilmente unidos al núcleo y pueden moverse libremente a través de las pintas atómicas (electrones de conducción).
Normalmente, estos electrones no se pueden utilizar para soldar porque no pueden abandonar la superficie del metal. La entrada de calor puede hacer que la energía de los electrones supere el umbral potencial para la unión de la red metálica, lo que a su vez conduce a un aumento de la temperatura. Cuando la energía de los electrones libres aumenta lo suficiente, se traspasa el umbral de potencial. Inicialmente, los electrones se agrupan cerca de la superficie del metal, formando una nube de electrones, como se muestra en la Figura 2-2. Debido a la fuerza gravitacional entre los electrones y el núcleo, generalmente es imposible que los electrones sean emitidos lejos de la superficie del metal. El metal une los electrones a su alrededor, por lo que no puede liberar un electrón cargado negativamente que de otro modo estaría cargado positivamente. Si se utilizan otras medidas además de calentar el cátodo metálico, se puede crear una fuente de electrones.
Figura 2-2 Calentar un metal desencadena la emisión de electrones libres.
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