4.3 Возбуждение атома.

В соответствии с классическим строением атома, атом упрощенно представляется в виде ядра, несущего положительный электрический заряд, и электронов, вращающихся вокруг ядра по определенным орбитам, с различными радиусами. На каждой орбите может находиться один или несколько электронов. Каждый атом имеет определенную внутреннюю энергию, определяемую числом электронов и их расположением по орбитам. Энергия атома минимальна, когда электроны находятся на орбитах, расположенных наиболее близко к ядру. При определенных условиях электрон может перейти с ближней орбиты на удаленную. При этом энергия атома увеличивается, и наоборот такой переход электрона называется возбуждением атома. Энергия атома при переходе электрона с одной орбиты на другую изменяется на определенное, дискретное значение. В возбужденном состоянии атом остается в течении времени менее 10-8 с, а затем электрон возвращается в первоначальное положение, выделяя при этом энергию в виде фотона. Возбужденный атом электрически нейтрален. Для возбуждения атома необходимо затратить энергию, называемой энергией возбуждения, измеряемое в электрон-вольтах (табл. 4-1) (один электрон-вольт равен энергии, которую необходимо затратить на перемещение одного электрона против сил электрического поля с разностью потенциалов один вольт (1 эВ = 1,6·10-19 Дж)). Часто употребляется термин «потенциал возбуждения» численно равный энергии возбуждения, но для простоты измеряемый в вольтах.

4.4 Ионизация

Ионизация — процесс возникновения в промежутке между электродами контактов электронов и положительных ионов. Основными видами ионизации дугового промежутка АВН являются термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии и ионизация столкновением.

4.4.1 Термоэлектронная эмиссия.

Атомы в металле расположены так близко друг к другу, что орбиты внешних электронов перекрываются в атомах имеются общие электроны При этом электроны способны перемещаться от одного атома к другому. Узлы кристаллической решетки металла образованны положительным ионами, создающими положительное электрическое поле. Положительный потенциал этого поля не выходит за пределы металла. Внутри кристаллической решетки свободные электроны осуществляющие перенос тока и теплоты в металле, а положительное поле ионов препятствует выходу за пределы металла. Для выхода электронов из металла необходимо, чтобы они прошли через потенциальный барьер на поверхности металла. На преодоление этого барьера должна быть затрачена определенная работа, называемая работой выхода, она зависит от рода металла и для каждого металла является постоянной величиной (табл. 4.1). Работа выхода уменьшается при наличии на поверхности металла адсорбированной пленки газа, примесей некоторых других металлов, диффундирующих на поверхность, различных загрязнений и т.п.

Таблица 4.1

Характеристики некоторых газов и паров металлов

Вещество	Энергия (потенциал), В			Работа выхода, эВ
	возбуждения	диссоциации	ионизации
Алюминий Вольфрам Железо Медь Никель Олово Ртуть Серебро Цинк Азот (атом) Азот (молекула) Водород (атом) Водород (молекула) Кислород (атом) Кислород (молекула) Элегаз	— 1,4 — — 4,7 (6,67) — 4,02 (5,77) — 6,3 10,2 7 7,9 7,9 8,2	— — — — — — — — 9,8 — 4,5 — 5,2 3,3	6,0 (18,8) 7,87 (17,7) 7,86 (16) 7,72 (20,3) 7,61 (18) 7,33 (14,6) 10,43 (19) 7,57 (21,5) 9,39 (18) 14,55 (29,6) 15,8 (—) 13,6 15,4 (—) 13,62 (35) 12,5 (—) 15,8	4,25 4,54 4,31 4,4 4,50 4,38 4,53 4,3 4,24 — — — — ‑ — ‑
Примечание. В скобках приведены вторичные потенциалы возбуждения и ионизация

При повышении температуры металла скорости свободных электронов увеличиваются, и если их кинетическая энергия при подходе к поверхности металла окажется больше работы выхода, то электроны могут преодолеть барьер и выйти из металла. Попадая в область дуги, такие электроны увеличивают ее проводимость. Плотность тока термоэлектронной эмиссии (в А/см2) рассчитывается по формуле:

, (4.3)

где Θ — температура металла, К; W_вых — работа выхода, эВ; А = 60÷120 — постоянная, для чистых металлов А=100÷120 А/(см2·К2).

Эта формула справедлива для металлов с высокой температурой кипения, а для металлов же с низкой температурой кипения (медь, железо) она дает сильно заниженные значения плотности тока. Более высокую фактическую плотность тока объясняют совместным действием термоэлектронной и автоэлектронной эмисий.