Dòng điện trong chất khí

Bài 15. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ

A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

I. Chất khí là môi trường cách điện

Chất khí không dẫn điện và các phân tử khí đều ở trạng thái trung hòa điện, do đó trong chất khí không có hạt tải điện.

II. Sự dẫn điện của chất khí trong điều kiện thường

Khi chất khí bị ion hóa bởi các tác nhân ion hóa, trong chất khí sẽ xuất hiện các hạt mang điện tự do là êlectron, ion dương, ion âm (đây là các hạt tải điện trong chất khí).

III. Bản chất dòng điện trong chất khí

1. Dòng điện trong chất khí

Là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, các electron ngược chiều điện trường. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hóa sinh ra.

2. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

- Khi mất tác nhân ion hóa, các ion dương, ion âm và êlectron trao đổi điện tích với nhau hoặc với điện cực để trở thành các phân tử khí trung hòa, nên chất khí trở thành không dẫn điện.

- Quá trình dẫn điện của chất khí mà ta vừa mô tả gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) không tự lực.

Thay đổi hiệu điện thế U giữa hai bản cực và ghi lại dòng điện I chạy qua chất khí, ta thấy 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, được vẽ trên hình. Nó có 3 đoạn rõ rệt:

- Sự phụ thuộc của I theo U trong quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí.

- Đoạn Oa: U nhỏ, dòng điện tăng theo U.

- Đoạn ab: U đủ lớn dòng điện I đạt giá trị bão hòa.

- Đoạn bc: U quá lớn, I tăng nhanh khi U tăng, chứng tỏ khi hiệu điện thế đã quá lớn, sự tăng hiệu điện thế làm cho điện trở của chất khí giảm, mật độ hạt tải điện tăng.

IV. Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí và điều kiện để tạo ra quá trình dẫn điện tự lực

- Quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì, không cần ta liên tục đưa hạt tải điện vào, gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) tự lực. Muốn có quá trình dẫn điện tự lực thì trong hệ gồm chất khí và các điện cực phải tự tạo ra các hạt tải điện mới để bù lại số hạt tải điện đã đi đến điện cực và biến mất.

- Hai kiểu phóng điện tự lực thường gặp nhất là tia lửa điện và hồ quang điện.

V. Tia lửa điện và điều kiện tạo ra tia lửa điện

1. 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 phần tử khí trung hòa thành ion dương và êlectron tự do.

2. Điều kiện tạo ra tia lửa điện

Tia lửa điện có thể hình thành trong không khí khi điện trường đạt đến giá trị ngưỡng vào khoảng 3.$10^{6}$V/m.

Sét là tia lửa điện hình thành giữa đám mây mưa và mặt đất nên thường đánh vào các mô đất cao, ngọn cây...

3. Ứng dụng

Tia lửa điện dùng phổ biến trong động cơ nổ để đốt hỗn hợp nổ (là hơi xăng lẫn không khí) trong xilanh. Bộ phận để tạo ra tia lửa điện là bugi, thực chất đó chỉ là hai điện cực đặt cách nhau cỡ vài milimet trên một khối sứ cách điện.

VI. Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện

1. Định nghĩa

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

2. Điều kiện tạo ra hồ quang điện

Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành khi dòng điện qua chất khí có thể giữ được nhiệt độ cao của catốt để nó phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

3. Ứng dụng

Hồ quang điện có nhiều ứng dụng, như hàn điện, Iàm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu...

B. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý

1. Biết cách tạo ra sự phóng điện trong chất khí một cách đơn giản. Biết được hạt tải điện trong chất khí và nguyên nhân gây ra nó, từ đây trình bày được bản chất dòng điện qua chất khí.

2. Hiểu và giải thích được đặc tuyến vôn-ampe của chất khí.

3. Hiểu và trình bày được các dạng phóng điện trong chất khí ở áp suất bình thường như tia lửa điện, sét, hồ quang điện... Nêu được các ứng dụng của hồ quang điện.

C. ĐỀ BÀI TẬP

Bài 1

Một trong các nguyên nhân làm xuất hiện các hạt tải điện trong chất khí là

A. quá trình phân li

B. quá trình trao đổi điện tích giữa các ion

C. quá trình ion hóa chất khí

D. quá trình chuyển động nhiệt của êlectron

Bài 2

Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

A. chỉ tồn tại khi ta đưa hạt tải điện vào khối khí giữa hai bản cực.

B. tuân theo định luật Ôm.

C. có đặc tuyến vôn-ampe là đoạn thẳng.

D. không cần tác nhân ion hóa.

Bài 3

Khi có hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất khí thì:

A. cường độ điện trường giữa hai bản cực tại các điểm khác nhau sẽ như nhau.

B. mật độ hạt tải điện trong môi trường khí sẽ tăng.

C. chất khí dẫn điện kém đi

D. cường độ dòng điện qua chất khí giảm.

Bài 4

Cơ chế của hồ quang điện là

A. sự ion hóa chất khí do các bức xạ.

B. sự phóng electron từ mặt catôt bị đốt nóng ở nhiệt độ cao.

C. do hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất khí.

D. tạo điện trường rất lớn trong chất khí.

Bài 5

Cơ chế của tia lửa điện là

A. sự ion hóa chất khí do tác nhân ion hóa.

B. sự phóng electron từ mặt catôt bị đốt nóng ở nhiệt độ cao.

C. tạo điện trường rất lớn trong chất khí.

D. do hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất khí.

Bài 6

Bản chất của dòng điện trong tia lửa điện là dòng chuyển dời có hướng của các

A. electron

B. electron và ion âm

C. electron, ion dương và ion âm

D. electron và ion dương sinh ra do điện trường đủ mạnh.

Bài 7

Bản chất của dòng điện trong hồ quang điện là dòng chuyển dời có hướng của các

A. electron phát xạ nhiệt từ catốt

B. electron và ion âm

C. electron, ion dương và ion âm

D. electron và ion dương

Bài 8

Trong hiện tượng hồ quang điện, điều nào sau đây không đúng?

A. Hồ quang điện có thể kèm theo tỏa nhiệt và tỏa sáng rất mạnh.

B. Chất khí trong vùng hồ quang điện dẫn điện tốt.

C. Trong hồ quang điện, dòng điện qua chất khí chủ yếu là dòng electron đi từ catôt đến anốt.

D. Trong hồ quang điện không có hiện tượng phát xạ điện tử.

D. HƯỚNG DẪN GIẢI

Bài 1

Một trong các nguyên nhân làm xuất hiện các hạt tải điện trong chất khí là quá trình ion hóa chất khí

⇒ chọn C.

Bài 2

Quá trình dẫn điện không tự có đặc tuyến vôn-ampe như hình vẽ. Ta thấy đặc tuyến vôn-ampe không phải là đoạn thẳng nên không tuân theo định luật Ôm. Khi tắt tác nhân ion hóa thì chất khí không còn dẫn điện.

Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí chỉ tồn tại khi ta đưa hạt tải điện vào khối khí giữa hai bản cực

⇒ chọn A.

Bài 3

Khi có hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất khí thì mật độ hạt tải điện trong môi trường khí sẽ tăng, chất khí sẽ dẫn điện tốt hơn, cường độ dòng điện qua chất khí tăng, cường độ điện trường ở các điểm khác nhau thì không giống nhau do mật độ hạt tải điện khác nhau

⇒ chọn B.

Bài 4

Để mồi hồ quang điện người ta phải làm cho hai điện cực bị nung đỏ đến mức có thể phát xạ điện tử từ catôt

⇒ chọn B.

Bài 5

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 hòa thành ion dương và êlectron tự do

⇒ chọn C.

Bài 6

Bản chất dòng điện trong tia lửa điện cũng chính là bản chất dòng điện trong chất khí, đó chính là dòng chuyển dời có hướng của các electron, ion dương và ion âm

⇒ chọn C.

Bài 7

Bản chất dòng điện trong hồ quang điện cũng chính là bản chất dòng điện trong chất khí, đó chính là dòng chuyển dời có hướng của các electron, ion dương và ion âm

⇒ chọn C.

Bài 8

Cơ chế của hồ quang điện là sự phát xạ điện tử từ catôt bị nung nóng

⇒ chọn D.