Dòng điện trong chất khí, Quá trình dẫn điện tự lực, Tia lửa điện và Hồ Quang điện - Vật lý 11 bài 15

Để trả lời câu hỏi trên, chúng ta cùng tìm hiểu về Dòng điện trong chất khí là gì? Quá trình dẫn điện không tự lực xảy ra khi nào? Điều kiện nào để quá xảy ra quá trình dẫn điện tự lực? Tia lửa điện và Hồ quang điện có ứng dụng gì trong thực tế? qua bài viết dưới đây.

I. Chất khí là môi trường cách điện

- Chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí đều trung hòa điện, nên trong chất khí không có hạt tải điện.

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

• Thí nghiệm cho thấy:

- Trong chất khí cũng có nhưng rất ít các hạt tải điện.

- Khi dùng ngọn đèn ga để đốt nóng chất khí hoặc chiếu vào chất khí chùm bức xạ tử ngoại thì trong chất khí xuất hiện các hạt tải điện. Khi đó chất khí có khả năng dẫn điện.

III. Bản chất của dòng điện trong không khí

1. Sự Ion hóa chất khí và tác nhân Ion hóa

• Tác nhân ion hóa: 

- Ngọn lửa ga hay tia tử ngoại của đèn thuỷ ngân trong thí nghiệm được gọi là tác nhân ion hoá. Tác nhân ion hoá đã ion hoá các phân tử khí thành các ion dương, ion âm và các electron tự do.

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

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

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

- Quá trình dẫn điện của chất khí nhờ có tác nhân ion hóa gọi là quá trình dẫn điện không tự lực. Nó chỉ tồn tại khi ta tạo ra các hạt tải điện trong khối chất khí giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng việc tạo ra hạt tải điện.

- 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 theo U trong quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí.

 Đoạn Oa: U nhỏ, I tăng theo U.

 Đoạn ab: U đủ lớn, dòng điện I đạt giá trị bão hỏa.

 Đoạn bc: U quá lớn, I tăng nhanh khi U tăng. Lúc này mật độ hạt tải điện tăng nhanh.

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

- Hiện tượng 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 trong chất khí

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

• 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:

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

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

3. 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

4. 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

- 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. Tia lửa điện là gì?

- 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.

2. Điều kiện tạo ra tia lửa điện

- Tia lửa điện có thể hình thành trong không khí ở điều kiện thường, khi điện trường đạt đén giá trị ngưỡng vào khoảng 3.10⁶(V/m).

3. Ứng dụng của Tia lửa điện

- 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.

Cấu tạo của bugi trong động cơ nổ

- Giải thích hiện tượng sét trong tự nhiên.

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

1. Hồ quang điện là gì?

- 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.

2. Điều kiện tạo ra Hồ quang điện

- Dòng điện qua chất khí giữ được nhiệt độ cao của catôt để catôt phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt electron.

3. Ứng dụng của Hồ quang điện

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

VII. Bài tập vận dụng Dòng điện trong chất khí

* Bài 1 trang 93 SGK Vật Lý 11: Mô tả thí nghiệm phát hiện và đo dòng điện qua chất khí và cách đưa hạt tải điện và trong chất khí.

° Lời giải bài 1 trang 93 SGK Vật Lý 11:

- A, B là hai bản cực kim loại, ξ là nguồn điện có suất điện động khoảng vài chục vôn, G là một điện kế nhạy, V là vôn kế, D là ngọn đèn ga dùng để làm nóng không khí giữa hai bản cực. Chỉnh con chạy của biến trở R đế vôn kế chỉ một giá trị nào đấy và khảo sát giá trị của điện kế G.- Trong thí nghiệm trên, cách đưa hạt tải điện vào trong chất khí thực chất là việc nung nóng chất khí bằng đèn ga để các phân tử khí bị iôn hóa tạo thành các iôn dương và êlectron tự do.

* Bài 2 trang 93 SGK Vật Lý 11: Trình bày hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí.

° Lời giải bài 2 trang 93 SGK Vật Lý 11:

¤ Quá trình nhân hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí diễn ra như sau:

- Những hạt tải điện đầu tiên có trong chất khí là êlectron và các ion dương do tác nhân iôn hóa sinh ra. Electron có kích thước nhỏ hơn ion dương nên đi được quãng đường dài hơn ion dương trước khi va chạm với một phân tử khí.

- Năng lượng mà electron nhận được từ điện trường ngoài trong quãng đường bay tự do lớn hơn năng lượng mà ion nhận được khoảng 5 đến 6 lần.

- Khi điện trường đủ lớn, động năng của electron cũng đủ lớn để khi va chạm với phân tử trung hòa thì ion hoá nó, biến nó thành êlectron tự do và iôn dương.

- Quá trình diễn ra theo kiểu thác lũ làm mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho đến khi êlectron đến anốt.

* Bài 3 trang 93 SGK Vật Lý 11: Trình bày nguyên nhân gây ra hồ quang điện và tia lửa điện.

° Lời giải bài 3 trang 93 SGK Vật Lý 11:

- Nguyên nhân gây ra tia lửa điện: Do quá trình iôn hóa chất khí và quá trình nhân hạt tải điện.

- Nguyên nhân gây ra hồ quang điện: Do phát xạ nhiệt êlectron từ catôt bị đốt nóng và quá trình nhân số hạt tải điện.

* Bài 4 trang 93 SGK Vật Lý 11: Vì sao dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng electron chạy từ catot đến anot?

° Lời giải bài 4 trang 93 SGK Vật Lý 11:

- Dòng điện trong hồ quang điện được tạo ra do quá trình phóng điện tự lực được hình thành khi dòng điện qua chất khí có thể giữ được nhiệt độ cao của catot để nó phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

- Vì vậy dòng điện trong hồ quang điện chủ yếu là dòng electron chạy từ catot đến anot.

* Bài 5 trang 93 SGK Vật Lý 11: Trình bày thao tác hàn điện và giải thích vì sao phải làm thế.

° Lời giải bài 5 trang 93 SGK Vật Lý 11:

- Muốn hàn điện, ban đầu người thợ hàn phải chạm que hàn vào vật cần hàn, khi đó mạch điện bị nối tắt, dòng điện trong mạch rất lớn làm cho điểm tiếp xúc nóng đỏ.

- Khi tách que hàn khỏi vật cần hàn một khoảng ngắn, dòng điện bị ngắt đột ngột, trong không khí lúc này xảy ra sự phóng điện giữa que hàn và vật hàn, đó là nguyên nhân gây ra hồ quang điện.

- Nhiệt độ của que hàn sẽ rất cao làm que hàn nóng chảy vào chỗ cần hàn và hàn kín nó lại.

* Bài 6 trang 93 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào là chính xác? Dòng điện trong chất khí có thể là dòng chuyển động có hướng của:

A. các electron mà ta đưa vào trong chất khí.

B. các icon mà ta đưa từ bên ngoài vào chất khí.

C. các electron và ion ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

D. các electron và ion sinh ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

° Lời giải bài 6 trang 93 SGK Vật Lý 11:

¤ Chọn đáp án: D. các electron và ion sinh ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

- Dòng điện trong chất khí chỉ có thể là dòng chuyển động có hướng của các electron và ion trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

* Bài 7 trang 93 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào là chính xác? Dòng điện trong chất khí có thể là dòng chuyển động có hướng của:

A. các electron mà ta đưa vào trong chất khí.

B. các icon mà ta đưa từ bên ngoài vào chất khí.

C. các electron và ion ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

D. các electron và ion sinh ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

° Lời giải bài 7 trang 93 SGK Vật Lý 11:

¤ Chọn đáp án: B. các icon mà ta đưa từ bên ngoài vào chất khí.

- Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực của chất khí, hình thành do catot bị nung nóng phát ra electron.

* Bài 8 trang 93 SGK Vật Lý 11: Từ bảng 15.1, các em hãy ước tính:

a) Hiệu điện thế đã sinh ra tia sét giữa đám mây cao 200m và một ngọn cây cao 10m.

b) Hiệu điện thế giữa hai cực của bugi xe máy khi xe chạy bình thường.

c) Đứng cách xa đường điện 120kV bao nhiêu thì bắt đầu có nguy cơ bị điện giật mặc dù ta không chạm vào dây điện.

° Lời giải bài 8 trang 93 SGK Vật Lý 11:

a) Quan sát bảng số liệu ta thấy ở khoảng cách d = 600mm = 0,6m thì hiệu điện thế là: U = 300000(V) = 3.10⁵(V) .

- Khoảng cách giữa đám mây cao 200m và một ngọn cây cao 10m là:

 d₁ = 200 – 10 = 190 m

⇒ Hiệu điện thế đã sinh ra tia sét giữa đám mây và ngọn cây là:

 U₁ = E.d₁ = 5.10⁵.190 = 95.10⁶ (V/m)

b) Từ bảng số liệu ta thấy ở khoảng cách d = 6,1mm = 0,0061m = 6,1.10^-3m thì hiệu điện thế là: U = 20000(V) = 2.10⁴(V).

- Khoảng cách giữa hai cực của bugi xe máy khoảng d₂ ≤ 1mm

⇒ Hiệu điện thế tối thiểu giữa hai cực của bugi xe máy khi xe chạy bình thường:

 U₂ = E.d₂ = 3,279.10⁶.1.10^-3 = 3279(V).

c) Từ bảng số liệu ta thấy ở khoảng cách d = 410 mm = 0,41m =4,1.10^-2m thì hiệu điện thế là: U = 200000V = 2.10⁵V

- Khoảng cách từ đường dây điện U₃ = 120kV nên hiệu điện thế lớn nhất có thể là .

Vậy khoảng cách từ đường dây điện U₃ tới chỗ đứng có nguy cơ bị điện giật là:

* Bài 9 trang 93 SGK Vật Lý 11: Cho phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp, giữa hai điện cực cách nhau 20cm. Quãng đường bay tự do của electron là 4cm. Cho rằng năng lượng mà eclectron nhận được trên quãng đường bay tự do đủ để icon hóa chất khí, hãy tính xem một electron đưa vào trong chất khí có thể sinh ra tối đa bao nhiêu hạt tải điện.

° Lời giải bài 9 trang 93 SGK Vật Lý 11:

- Vì giữa hai điện cực cách nhau 20cm, quãng đường bay tự do của các electron là 4cm nên sẽ có 5 lần ion hóa, như vậy: 

- Khi electron va chạm với phân tử khí thì 1 electron sẽ làm cho phân tử khí tạo ra 1 iôn dương và 1 electron tự do.

- Lần va chạm 2, 2 electron va chạm với 2 phân tử khí tạo ra 2 iôn dương và 2 electron tự do.

- Lần va chạm 3, 4 elctron va chạm với 4 phân tử khí tạo ra 4 ion dương và 4 electron tự do.

- Lần va chạm 4, 8 elctron va chạm với 8 phân tử khí tạo ra 8 ion dương và 8 electron tự do.

- Lần  va chạm 5, 16 electron va chạm với 16 phân tử khí tạo ra 16 ion dương và 16 electron tự do.

⇒ Tổng số electron sinh ra từ 1 electron ban đầu là: n = 1 + 2 + 4 + 8 + 16 = 31 hạt

⇒ Số hạt tải điện (bao gồm êlectron và iôn dương) tạo thành do iôn hóa từ 1 electron ban đầu là:  N = 2n = 2.31 = 62 hạt.