С какой целью при сварке и резке металлов используют большую силу тока (сотни ампер)?

Для того чтобы объяснить, почему при сварке и резке металлов используют большую силу тока, нужно рассмотреть основные физические процессы, происходящие при этом, а также законы, регулирующие эти явления.

Сварка и резка металлов основаны на термическом воздействии электрического тока. Основная задача состоит в том, чтобы создать высокую температуру, достаточную для плавления металла. Высокая температура достигается благодаря выделению тепловой энергии в сварочной дуге или в зоне резки. Это связано с законом Джоуля−Ленца, который описывает количество тепла, выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока.

Закон Джоуля−Ленца гласит, что количество тепла $ Q $, выделяющееся в проводнике, пропорционально квадрату силы тока $ I $, сопротивлению проводника $ R $ и времени $ t $, в течение которого ток проходит через проводник:

$$ Q = I^2 \cdot R \cdot t $$

Таким образом, увеличение силы тока приводит к резкому увеличению выделяемой тепловой энергии, поскольку $ Q $ зависит от квадрата силы тока ($ I^2 $). Это означает, что при увеличении силы тока даже в два раза количество выделяемого тепла увеличивается в четыре раза.

При сварке металлов используется электрическая дуга — вид электрического разряда, который возникает между электродом и металлической поверхностью. Дуга имеет чрезвычайно высокую температуру — на её поверхности она может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия. Большая сила тока необходима для поддержания устойчивой дуги и обеспечения достаточного количества тепла для плавления металла. Чем выше сила тока, тем больше энергии выделяется, и тем выше температура дуги.

При резке металлов процесс похож: высокая температура зоны резки расплавляет металл, а затем расплавленный материал удаляется с помощью струи газа или другой механической силы. Здесь тоже требуется большое количество тепла, чтобы быстро достичь температуры плавления металла, а затем поддерживать её в течение всего процесса резки.

Важно также учитывать свойства металлов — например, теплопроводность и температура плавления. Металлы обычно обладают высокой теплопроводностью, что означает, что тепло быстро распространяется от зоны воздействия к окружающим областям. Это требует ещё большей мощности, чтобы компенсировать потери тепла и обеспечить локальный нагрев до температуры плавления.

Большая сила тока также используется для обеспечения высокой плотности энергии в зоне обработки металла. Сварка и резка — это процессы, которые должны быть быстрыми и эффективными. Увеличение силы тока позволяет значительно ускорить процесс, создавая необходимую температуру за минимально короткое время.

Влияние большого тока на оборудование также важно учитывать. Для работы с большими токами используются специальные сварочные аппараты, которые способны безопасно генерировать и передавать ток, а также выдерживать высокие температурные нагрузки. Электроды, используемые при сварке, должны быть устойчивыми к высоким температурам и обеспечивать минимальное сопротивление, чтобы энергия тока была максимально эффективно передана в зону сварки.

Подводя итог, большая сила тока при сварке и резке металлов используется для:

1. Создания высокой температуры в зоне обработки металла, достаточной для его плавления.
2. Ускорения процесса за счёт быстрого достижения температуры плавления.
3. Компенсации теплопотерь из−за высокой теплопроводности металлов.
4. Поддержания устойчивой сварочной дуги с высокой плотностью энергии.

Это объясняется законом Джоуля−Ленца и свойствами электрической дуги, а также характеристиками металлов и особенностями процессов сварки и резки.