Lý 11 Bài 15: Dòng điện trong chất khí

• Ở điều kiện thường, chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí đều trung hòa điện, nên trong chất khí không có hạt tải điện.
• Trong một số điều kiện đặc biệt như khi có ngọn lửa ga hay chiếu bức xạ của tia tử ngoại, không khí trở nên dẫn điện.

a) Sự ion hoá chất khí và tác nhân ion hoá

• Tác nhân ion hóa: những tác động làm cho chất khí trở nên dẫn điện. Nguyên nhân là những tác nhân này có năng lượn cao, chúng tách các phân tử khí trung hòa thành những ion dương và electron tự do, những electron tự do lại có thể kết hợp với những phân tử khí trung hòa tạo nên ion âm.
• Hạt tải điện trong chất khí: Các ion dương, ion âm và electron.
• Bản chất dòng điện trong chất khí: Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển rời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, electron ngược chiều điện trường. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hóa sinh ra.
• Chú ý: Khi mất tác nhân ion hóa các ion dương, ion âm, electron trao đổi điện tích với nhau tạo nên các phân tử khí trung hòa, lúc này, không khí trở thành không dẫn điện.

b) Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

• Là quá trình xảy ra khi ta phải dùng tác nhân ion hóa từ bên ngoài để tạo ra các hạt tải điện trong chất khí.
• Quá trình dẫn điện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.
• Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I qua chất khí khi phóng điện không tự lực theo hiệu điện thế U giữa hai điện cực:

- Nó có 3 đoạn rõ rệt:

• Đoạn Oa: U nhỏ, dòng điện tăng theo U.
• Đoạn ab: U đủ lớn dòng điện I đạt giá trị bão hoà. I không đổi khi U tăng.
• Đoạn bc: U quá lớn, I tăng nhanh khi U tăng, chứng tỏ rằng khi hiệu điện thếc đã quá lớn, sự tăng hiệu điện thế làm cho điện trở của chất khí giảm, mật độ hạt tải điện tăng.

c) Hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất khí trong quá trình dẫn điện không tự lực

- Hiện tượng tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí do dòng điện chạy qua gây ra gọi là hiện tượng nhân số hạt tải điện

- Quá trình nhân số hạt tải điện:

• Tác nhân ion hóa (điện trường ngoài) tạo ra các ion dương và electron.
• Electron có kích thước nhỏ nên đi được quãng đường dài hơn. Khi điện trường đủ lớn, động năng của electron cũng đủ lớn để khi va chạm với các phân tử khí rung hòa sẽ là ion hóa các phân tử này.
• Quá trình này diễn ra theo kiểu thác lũ làm mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho tới khi electron đến anot.
• Lúc này, chất khí trở nên dẫn điện tốt hơn và dòng điện chạy qua chất khí tăng nhưng vẫn phụ thuộc vào số hạt tải điện mà tác nhân ion hóa từ bên ngoài sinh ra trong chất khí.

- Quá trình phóng điện tự lực trong chất khí là quá trình phóng điện vẫn tiếp tục giữ được khi không còn tác nhân ion hóa tác động từ bên ngoài.   

- Có bốn cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:

• Dòng điện qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hoá.

• Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá ngay khi nhiệt độ thấp.

• Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra electron. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt electron.

• Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào làm bật electron khỏi catôt trở thành hạt tải điện.

a) Định nghĩa

Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí đặt giữa hai điện cực khi điện trường đủ mạnh để biến phân tử khí trung hoà thành ion dương và electron tự do.

b) Điều kiện để tạo ra tia lửa điện

Điện trường ngoài đạt ngưỡng 3.10⁶ V/m.

c) Ứng dụng

• Tia lửa điện dùng phổ biến trong động cơ nổ trong xilanh. Bộ phận để tạo ra tia lửa điện là bugi, thực chất đó chỉ là hai điện cực đặt cách vào cỡ vài phần mười milimét trên một khối sứ cách điện.

• Giải thích hiện tượng sét trong tự nhiên: sét

a) Định nghĩa

• Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.

• Hồ quang điện có thể kèn theo toả nhiện và toả sáng rất mạnh.

b) Điều kiện tạo ra hồ quang điện

• Hai điện cực phải nóng đỏ đến mức phát xạ nhiệt điện tử (phát xạ electron).
• Khi có được tia lửa điện, phải duy trì hiệu điện thế giữa hai điện cực đến giá trị không lớn để tạo ra cung sáng chói.

c) Ứng dụng

Hồ quang diện có nhiều ứng dụng như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu, …

Hướng dẫn giải

Để hàn điện, người ta dùng máy hàn gồm một nguồn điện tạo hiệu điện thế khoảng vài chục vôn và điện trở trong rất nhỏ để có thể tạo ra dòng điện lớn (hàng trăm ampe).

Một cực của nguồn điện nối với vật cần hàn, cực kia nối với que hàn.

Thao tác khi hàn điện: thoạt đầu, chạm que hàn vào vật cần hàn để mạch điện được nối, điểm tiếp xúc giữa que hàn và vật cần hàn nóng đỏ, sau đó nhấc que hàn ra. Khi que hàn vừa rời khỏi vật cần hàn, dòng điện bị ngắt đột ngột, suất điện động tự cảm tạo ra sẽ rất lớn, tạo ra tia lửa điện làm phát sinh hồ quang điện. Khi đó hồ quang điện làm nóng chảy que hàn vào chỗ cần hàn.

Hướng dẫn giải

Vì giữa hai điện cực cách nhau 20cm, quãng đường bay tự do của các êlectron là 4cm nên sẽ có 5 lần số lần iôn hóa.

Khi êlectron va chạm với phân tử khí thì 1 êlectron sẽ làm cho phân tử khí tạo ra 1 iôn dương và 1 êlectron tự do. Ở lần va chạm thứ hai, 2 êlectron va chạm với 2 phân tử khí tạo ra 2 iôn dương và 2 êlectron tự do. Ở lần va chạm thứ năm số êlectron tự do tạo thành là 2⁵ = 32.

Vậy số hạt êlectron được tạo ra do iôn hóa là n = 32 - 1 = 31.

Số hạt tải điện (bao gồm êlectron và iôn dương) tạo thành do iôn hóa là 2n = 62 hạt.

Câu 1: Một dòng điện được tạo ra trong một ống chứa khí hidro, khi có một hiệu điện thế đủ cao giữa hai điện cực của ống. Chất khí bị ion hoá và các electron chuyển động về cực dương, các ion dương về cực âm. Cường độ và chiều của dòng điện chạy qua ống khí này khi có 4,2.10¹⁸ electron và 2,2.10¹⁸ proton chuyển động qua tiết diện của ống trong mỗi giây là bao nhiêu?

Câu 2: Nêu khái niệm dòng điện trong chất khí.

Câu 3: Nêu những thiết bị áp dụng sự phóng điện trong không khí.

Câu 4: Trình bày nguyên nhân gây ra hồ quang điện và tia lửa điện.

Câu 5: Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực của chất khí, hình thành do nguyên nhân nào?

Câu 1: Phát biểu nào dưới đây là sai khi nói về quá trình dẫn điện tự lực của không khí?

A. Là quá trình dẫn điện trong không khí thường gặp: tỉa lửa điện, hồ quang điện

B. Là quá trình dẫn điện trong không khí không cần tác nhân ion hoá từ bên ngoài

C. Là quá trình dẫn điện trong không khí do tác nhân ion hoá từ bên ngoài

D. Là quá trình dẫn điện trong chất khí khi có hiện tượng nhân số hạt tải điện.

Câu 2:  Nhận xét nào sau đây sai đối với đồ thị vôn-ampe (Hình vẽ) của chất khí?

A. Khi U < U_b, dòng điện trong chất khí gần đúng tuân theo định luật Ôm

B. Khi Ub < U < U_c, dòng điện không thay đổi là do không có hạt tải điện

C. Khi U > U_c, dòng điện tăng vọt là vì có sự ion hoá do va chạm

D. Khi U > U_c sẽ xuất hiện tia lửa điện

Câu 3: Tìm phát biểu sai

A. Các hạt điện dẫn trong chất khí là các ion dương, âm và electron

B. Tác nhân ion hoá là điều kiện cho sự dẫn điện của chất khí khi hiệu điện thế thấp.

C. Sự phóng điện tự do không cần tác nhân ion hoá khi hiệu điện thế rất cao.

D. Dòng điện trong chất khí tuân theo định luật Ohm.

Câu 4: Chọn phát biểu đúng

A. Không khí là chất điện môi trong mọi điều kiện

B. Không khí có thể dẫn điện trong mọi điều kiện

C. Chất khí chỉ dẫn điện khi có tác nhân ion hoá

D. Chất khí chỉ dẫn điện khi bị đốt nóng.

Câu 5: Chọn phát biểu đúng

A. Không khí là chất điện môi trong mọi điều kiện

B. Không khí có thể dẫn điện trong mọi điều kiện

C. Chất khí chỉ dẫn điện khi có tác nhân ion hoá

D. Chất khí chỉ dẫn điện khi bị đốt nóng.

Qua bài giảng Dòng điện trong chất khí này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như :

• Phân biệt được sự dẫn điện không tự lực và sự dẫn điện tự lực trong chất khí, từ đó rút ra bản chất dòng điện trong chất khí.

• Phân biệt được hai quá trình dẫn điện tự lực quan trọng trong không khí là hồ quang điện và tia lửa điện, điều kiện tạo ra nó, ứng dụng của các hiện tượng đó.

• Trình bày được các ứng dụng chính của quá trình phóng điện trong chất khí.