Giải bài tập SBT Vật Lí 11 Bài 15: Dòng điện trong chất khí

Quá trình dẫn điện nào dưới đây của chất khí là quá trình dẫn điện không tự lực ?

A. Quá trình dẫn điện của chất khí khi không có tác nhân ion hoá.

B. Quá trình dẫn điện của chất khí đặt trong điện trường mạnh.

C. Quá trình dẫn điện của chất khí trong đèn ống.

D. Quá trình dẫn điện của chất khí nhờ tác nhân ion hoá. 

Phương pháp giải

Trong quá trình dẫn điện không tự lực, chất khí cần nhờ đến các tác nhân ion hoá

Hướng dẫn giải

- Quá trình dẫn điện của chất khí nhờ tác nhân ion hoá là quá trình dẫn điện không tự lực 

- Đáp án D

Câu nào dưới đây nói về sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I vào hiệu điện thế U giữa hai cực tụ điện chứa chất khí trong quá trình dẫn điện không tự lực là không đúng ?

A. Với mọi giá trị của U: I luôn tăng tỉ lệ với U.

B. Với U nhỏ : I tăng theo U.

C. Với U đủ lớn I đạt giá trị bão hoà.

D. Với U quá lớn : I tăng nhanh theo U. 

Phương pháp giải

Trong quá trình dẫn điện không tự lực, khi cường độ I tăng theo U đến giá trị bão hòa, sau đó thì đột ngột tăng nhanh

Hướng dẫn giải

- Với mọi giá trị của U: I luôn tăng tỉ lệ với U ⇒ sai

- Đáp án A

Câu nào sau đây nói về hồ quang điện là đúng:

A. Nếu thử làm lạnh chỉ điện cực âm của hồ quang thì hồ quang sẽ tắt

B. Nếu thử làm lạnh chỉ điện cực dương của hồ quang thì hồ quang sẽ tắt

C. Nếu thử làm lạnh chỉ điện cực âm của hồ quang thì hồ quang vẫn được duy trì

D. Nếu đồng thời làm lạnh cả hai điện cực của hồ quang thì hồ quang vẫn được duy trì 

Phương pháp giải

Hồ quang sẽ tắt nếu chỉ được làm lạnh điện cực âm

Hướng dẫn giải

- Nếu thử làm lạnh chỉ điện cực âm của hồ quang thì hồ quang sẽ tắt

- Đáp án A

Câu nào dưới đây nói về quá trình dẫn điện tự lực của chất khí là không đúng ?

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

B. Là quá trình dẫn điện trong chất khí do tác nhân ion hoá từ ngoài.

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

D. Là quá trình dẫn điện trong chất khí thường gặp : tia lửa điện, hồ quang điện. 

Phương pháp giải

Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí không cần đến các tác nhân bên ngoài

Hướng dẫn giải

- Là quá trình dẫn điện trong chất khí do tác nhân ion hoá từ ngoài ⇒ sai 

- Đáp án B

Câu nào dưới đây nói về hồ quang điện là không đúng ?

A. Là qụá trình phóng điện tự lực trong chất khí khi được đặt trong điện trường đủ mạnh để ion hoá chất khí.

B. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí mà các hạt tải điện mới sinh ra là êlectron tự do thoát khỏi catôt do phát xạ nhiệt êlectron.

C. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí không cần hiệu điện thế quá cao, chỉ cần có cường độ dòng điện đủ lớn để đốt nóng đỏ catôt.

D. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí được ứng dụng trong hàn điện, nấu chảy kim loại, chiếu sáng. 

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được định nghĩa về hồ quang điện

Hướng dẫn giải

- Là qụá trình phóng điện tự lực trong chất khí khi được đặt trong điện trường đủ mạnh để ion hoá chất khí ⇒ sai

- Đáp án A

Câu nào dưới đây nói về tia lửa điện là không đúng ?

A. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí khi được đặt trong điện trường đủ mạnh (khoảng 3.10⁶ v/m) để ion hoá chất khí.

B. Là quá trình phóng điện không tự lực trong chất khí mà các hạt tải điện mới sinh ra là êlectron tự do thoát khỏi catôt khi ion dương tới đập vào catôt.

C. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí có thể tự duy trì, không cần có tác nhân ion hoá từ ngoài.

D. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí được sử dụng làm bugi (bộ đánh lửa) để đốt cháy hỗn hợp nổ trong động cơ nổ. 

Phương pháp giải

Tia lửa điện là một dạng phóng điện tự lực trong chất khí, không cần đến tác nhân bên ngoài

Hướng dẫn giải

- Là quá trình phóng điện không tự lực trong chất khí mà các hạt tải điện mới sinh ra là êlectron tự do thoát khỏi catôt khi ion dương tới đập vào catôt ⇒ sai

- Đáp án B

Tại sao ở điều kiện bình thường chất khí lại không dẫn điện ? Trong kĩ thuật, tính chất này của không khí được sử dụng làm gì ? 

Phương pháp giải

Ở điều kiện thường, trong chất khí không có hạt tải điện nên không dẫn điện. Người ta vận dụng tính chất này của chất khí để làm vật cách điện

Hướng dẫn giải

- Chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí đều ở trạng thái trung hoà điện, do đó trong chất khí không có hạt tải điện

- Trong kĩ thuật, tính chất này của không khí được sử dụng làm vật cách điện giữa các đường dây tải điện, làm khoá ngắt mạch điện (công tắc),...

Dòng điện trong chất khí được tạo thành bởi những loại hạt tải điện nào ? Các loại hạt tải điện này chuyển động như thế nào trong điện trường giữa hai điện cực anôt và catôt của ống phóng điện ? Nêu kết luận về bản chất dòng điện trong chất khí. 

Phương pháp giải

Các quá trình dẫn điện trong chất khí ( tia lửa điện, hồ quang) sử dụng hạt electron tự do, các ion dương và ion âm làm hạt tải điện

Hướng dẫn giải

- Dòng điện trong chất khí được tạo thành bởi các loại hạt tải điện gồm các êlectron tự do, các ion dương và ion âm.

- Đặt một hiệu điện thế vào hai điện cực của một ống phóng điện có chứa chất khí đã bị ion hoá. Khi đó các hạt tải điện có sẵn trong ống bị điện trường giữa anôt và catôt tác dụng, nên ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn, chúng còn có thêm chuyển động định hướng : các êlectron và các ion âm chuyển động ngược hướng điện trường bay tới anôt, các ion dương chuyên động theo hướng điện trường-bay về catôt. Chính các dòng hạt tải điện chuyển động định hướng này đã đồng thời góp phần tạo thành dòng điện trong chất khí.

⇒ Như vậy, bản chất dòng điện trong chất khí là dòng các êlectron cùng với các ion âm chuyển động ngược hướng điện trường và dòng ion dương chuyển động theo hướng điện trường.

Sét là gì? Tại sao sét lại kèm theo những tiếng nổ lớn mà ta gọi là tiếng sấm hay tiếng sét? 

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được các đặc điểm của quá trình phóng điện trong chất khí bằng tia lửa điện

Hướng dẫn giải

- Sét là tia lửa điện khổng lồ xảy ra do sự phóng tia lửa điện giữa hai đám mây tích điện trái dấu hoặc giữa đám mây tích điện với ngọn cây cao, mô đất cao hay đồi núi,... trên mặt đất.

- Hiệu điện thế gây ra sét có thể đạt tới hàng trăm triệu vôn (108 - 109 V) và cường độ dòng điện trong sét có thê đạt tới hàng vạn ampe (104 – 105 A).

- Tia lửa điện trong sét làm áp suất không khí tăng đột ngột, do đó gây ra tiếng nổ lớn kèm theo.

- Tiếng nổ do sét phóng điện giữa hai đám mây gây ra gọi là tiếng sấm. Tiếng nổ do sét phóng điện giữa đám mây và các vật trên mặt đất gây ra gọi là tiếng sét.

Giải thích tại sao đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện I chạy qua chất khí phụ thuộc hiệu điện thế U giữa anôt và catôt trong ống phóng điện lại có dạng như Hình 15.4, SGK Vật lí 11 ? 

Phương pháp giải

Sử dụng nội dung lí thuyết về hiện tượng phóng điện trong chất khí để trả lời câu hỏi này

Hướng dẫn giải

Bình thường, đa số phân tử khí đều ở trạng thái trung hoà, chỉ có một số rất ít phân tử khí bị ion hoá do tác dụng của chuyển động nhiệt, hoặc do tác dụng của tia vũ trụ và tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời,... Do đó số hạt tải điện trong chất khí ở điều kiện bình thường là rất ít, không đủ để tạo ra dòng điện có thể đo được.

Khi đốt nóng mạnh chất khí, các phân tử khí bị ion hoá và tạo ra một số lớn các hạt tải điện. Nếu giữa hai điện cực anôt và catôt không có hiệu điện thế (U = 0) thì trong chất khí không có điện trường và các hạt tải điện chuyển động hỗn loạn, không tạo ra dòng điện. Khi giữa anôt và catôt có hiệu điện thế (U  0) thì trong chất khí có điện trường, nên ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn, các hạt tải điện có thêm chuyển động định hướng về các điện cực, tạo thành dòng điện I chạy qua chất khí.

- Với U > 0 và nhỏ : điện trường trong chất khí chưa mạnh nên chí có một số ít chuyển động về anôt, nên cường độ dòng điện I nhỏ. Khi u tăng dần thì số électron chuyển động từ catôt về anôt sau mỗi giây càng nhiều thêm, do đó dòng điện I cũng tăng dần và tí lệ với U.

- Với U > 0 và đủ lớn : điện trường trong chất khí đủ mạnh, nên toàn bộ électron xuất hiện ở catôt sau mỗi giây đều chuyển động hết về anôt. Khi đó mặc dù U tăng, nhưng dòng điện I không tăng nữa và đạt giá trị không đổi, gọi là dòng điện bão hoà

- Với các giá trị U > 0 và quá lớn : điện trường trong chất khí quá mạnh nên các électron được gia tốc rất mạnh và có động năng rất lớn. Các électron này có thể ion hoá các phân tử khí khi va chạm với chúng trên đường đi từ catôt đến anôt (còn gọi là ion hoá do va chạm), làm tăng mật độ hạt tải điện lên rất nhanh theo hiện tượng nhân số hạt tải điện. Trong giai đoạn này, dòng điện I tăng vọt rất nhanh theo U.