Giải bài tập Vật Lí lớp 11 Bài 15: Dòng điện trong chất khí
Trả lời câu hỏi giữa bài
Trả lời câu C1 trang 86 SGK Vật lí 11: Nếu không khí dẫn điện thì:
a) Mạng điện trong gia đình có an toàn không?
b) Oto, xe máy có chạy được không?
c) Các nhà máy điện sẽ ra sao?
Lời giải:
a) Mạng điện trong gia đình sẽ không an toàn vì điện có thể truyền tới mọi nơi và mọi vật
b) Ô tô, xe máy sẽ không chạy được.
c) Ở các nhà máy điện sau khi được tạo ra sẽ không tích trữ được và bị truyền khắp nơi
Trả lời câu C2 trang 87 SGK Vật lí 11: Vì sao ngay từ lúc chưa đốt đèn thủy ngân, chất khí cũng dẫn điện ít nhiều?
Lời giải:
Trong chất khí, chủ yếu là các nguyên tử, phân tử trung hòa điện. Tuy nhiên vẫn tồn tại một số ít các ion dương, ion âm. Vì vậy, chất khí không hoàn toàn là chất cách điện.
Trả lời câu C3 trang 88 SGK Vật lí 11: Trong quá trình dẫn điện không tự lực của khí, khi nào dòng điện đạt giá trị bão hòa?
Lời giải:
Trong quá trình dẫn điện không tự lực của khí, dòng điện đạt giá trị bão hòa khi hiệu điện thế U giữa hai bản cực dương (+) và âm (-) đủ lớn để công của lực điện trường do nó sinh ra có thể đưa được toàn bộ các hạt tải điện ( ion dương, ion âm, electron) được đưa vào khối khí ( kể cả những hạt có động năng bằng không) về được các điện cực, tức là tham gia vào quá trình dẫn điện.
Gọi wđ ;là động năng của hạt khỉ tải tới được điện cực;
v là vận tốc của hạt tải khi tới được điện cực;
m là khối lương của hạt tải, q là điện tích của hạt tải.
Theo định lí động năng, dòng điện đạt giá trị bão hòa khi:
Trả lời câu C4 trang 89 SGK Vật lí 11: Khi quá trình nhân số hạt tải điện thì cường độ điện trường tại các điểm khác nhau giữa hai bản cực, cực giống nhau không? Vì sao?
Lời giải:
* Khi có quá trình nhân số hạt tải điện thì cường độ điện trường tại các điểm khác nhau ở giữa hai bản cực không giống nhau.
* Vì mật độ hạt tại các điểm khác nhau trong điện trường là khác nhau, sinh ra sự chênh lệch giữa các vị trí và cường độ điện trường tại các điểm khác nhau sẽ khác nhau.
Trả lời câu C5 trang 91 SGK Vật lí 11: Vì sao khi đi đường gặp mưa giông, sấm sét dữ dội, ta không nên đứng trên những gò cao hoặc trú dưới gốc cây mà nên dán người xuống đất?
Lời giải:
Khi mưa giông, các đám mây ở gần mặt đất thường tích điện âm và mặt đất tích điện dương. Giữa đám mây và mặt đất có hiệu điện thế rất lớn. Những chỗ nhô cao trên mặt đất như gò hay ngọn cây là nơi có điện trường rất mạnh, dễ xảy ra phóng tia lửa điện giữa đám mây và những chỗ đó (gọi là sét).
Vì vậy, để tránh sét, ta không cần đứng trên những gò cao hoặc trú dưới gốc cây mà nên nằm dán xuống đất.
Câu hỏi và bài tập (trang 93 sgk Vật lí 11)
Bài 1 trang 93 SGK Vật lí 11: Mô tả thí nghiệm phát hiện và đo dòng điện qua chất khí và cách đưa hạt tải điện vào trong chất khí.
Lời giải:
A, B là hai bản cực kim loại, £ 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 lí 11: Trình bày hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí.
Lời giải:
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 iôn dương do tác nhân iôn hóa sinh ra. Electron có kích thước nhỏ hơn iôn dương nên đi được quãng đường dài hơn iôn dương trước khi va chạm với một phân tử khí. Năng lượng mà êlectron 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 êlectron cũng đủ lớn để khi va chạm với phân tử trung hòa thì iôn 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 lí 11: Trình bày nguyên nhân gây ra hồ quang điện và tia lửa điện.
Lời giải:
– 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.
– Nguyên nhân gây ra tia lửa điện: Do quá trình iôn hóa chất khí và quá trình nhân hạt tải điện.
Bài 4 trang 93 SGK Vật lí 11: Vì sao dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng electron chạy từ catot đến anot?
Lời giải:
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 lí 11: Trình bày thao tác hàn điện và giải thích vì sao phải làm thế?
Lời 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.
Bài 6 trang 93 SGK Vật lí 11: Phát biểu nào là chính xác ?
Dòng điện trong chất khí chỉ có thể là dòng chuyển dời có hướng của
A. Các êlectron mà ta đưa vào trong chất khí.
B. Các ion mà ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.
C. Các êlectron và ion mà ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.
D. Các êlectron và ion được tạo ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.
Phương pháp giải:
Sử dụng lí thuyết về bản chất dòng điện trong chất khí.
Lời giải:
Đáp án D
Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron và ion được tạo ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong trong chất khí.
Bài 7 trang 93 SGK Vật lí 11: Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực của chất khí, hình thành do
A. Phân tử khí bị điện trường mạnh làm ion hoá.
B. Catôt bị nung nóng phát ra êlectron
C. Quá trình nhân số hạt tải điện kiểu thác lũ trong chất khí
D. Chất khí bị tác dụng của các tác nhân ion hoá.
Phương pháp giải:
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 catot để nó phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt electron.
Lời giải:
Đáp án B.
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 lí 11: Từ bảng 15.1 các em hãy ước tính:
a) Hiệu điện thế đã sinh ra tia sét giữa đám mây cao 200 m và một ngọn cây cao 10 m.
b) Hiệu điện thế tối thiểu giữa hai cực của bugi xe máy khi xe chạy bình thường.
c) Đứng cách xa đường dây điện 120kV bao nhiêu thì bắt đầu có nguy cơ bị điện giật, mặc dù ta không chạm vào dây điện.
Phương pháp giải:
Sử dụng bảng 15.1 trang 90 – SGK Vật Lí 11
Lời giải:
a) Ngọn cây xem như mũi nhọn, nếu xem đám mây là mặt phẳng thì hiệu điện thế để có tia sét vào cỡ trung bình cộng của hai giá trị tương ứng với trường hợp hai mũi nhọn và trường hợp hai mặt phẳng ở cách 190 m. Ta có:
U1 (trường hợp hai mũi nhọn) = = 9,5.107 V
U2 (trường hợp hai mặt phẳng) = = 5.108 V
Như vậy, U vào khoảng 108 V
b) Khi thử xem bộ điện của xe máy có tốt không, người thợ thường cho phóng điện từ dây điện (mũi nhọn) – ra vỏ máy (mặt phẳng). Tia lửa điện dài khoảng 5mm là được
U1 (trường hợp hai mũi nhọn) = ≈ 6450 V
U2 (trường hợp hai mặt phẳng) = ≈ 16400 V
Đáp số U vào khoảng 104 V
c) Trường hợp dây cao thế 120 kV, hiệu điện thế lớn nhất có thể đến 120√2 = 170 kV. Vì đây là tiêu chuẩn an toàn nên lấy trường hợp hai cực đều là mũi nhọn
U = U1 => d = ≈ 0,35m.
Bài 9 trang 93 SGK Vật lí 11: Cho phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp, giữa hai điện cực cách nhau 20 cm. Quãng đường bay tự do của êlectron là 4 cm. Cho rằng năng lượng mà êlectron nhận được trên quãng đường bay tự do đủ để ion hoá chất khí, hãy tính xem một êlectron đưa vào trong chất khí có thể sinh ra tối đa bao nhiêu hạt tải điện
Lời 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 ba, 4 elctron va chạm với 4 phân tử khí tạo ra 4 ion dương và 4 electron tự do.
Ở lần va chạm thứ tư, 8 elctron va chạm với 8 phân tử khí tạo ra 8 ion dương và 8 electron tự do.
Ở lần va chạm thứ năm, 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 = 31
=> 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.
Lý thuyết Bài 15: Dòng điện trong chất khí
I. Chất khí là môi trường cách điện
Bình thường chất khí không dẫn điện, nó là một chất điện môi.
II. Khi có ngọn lửa ga hay chiếu bức xạ tử ngoại không khí trở thành dẫn điện
Khi có ngọn lửa ga hay chiếu bức xạ tử ngoại không khí trở thành dẫn điện.
III. Bản chất dòng điện trong chất khí
1. Sự ion hoá chất khí và tác nhân ion hoá
Ngọn lửa ga (nhiệt độ rất cao), tia tử ngoại của đèn thuỷ ngân trong thí nghiệm trên được gọi là các tác nhân ion hoá. Nhờ có năng lượng cao, chúng ion hoá chất khí, tách phân tử khí trung hoà thành ion dương và êlectron tự do. Êlectron tự do lại có thể kết hợp với phân tử khí trung hoà thành ion âm. Các hạt tích điện này là hạt tải 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 hoá sinh ra.
2. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí
– Quá trình dẫn điện của chất khí mà ta vừa mô tả gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) không tự lực. Nó chỉ tồn tại khi ta đưa hạt tải điện vào khối khí ở giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng đưa hạt tải điện vào.
– 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 15.1.
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 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 duy trì, không cần ta liên tục đưa hạt tải điện vào, gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) tự lực.
– Có bốn cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:
1. Dòng điện chạy 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 êlectron. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.
4. Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào, làm bật êlectron ra khỏi catôt và trở thành hạt tải điện.
Tuỳ cơ chế sinh hạt tải điện mới trong chất khí mà ta có các kiểu phóng điện tự lực khác nhau.
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 phân tử khí trung hoà 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 giá trị ngưỡng vào khoảng 3.106 V/m. Hiệu điện thế đủ để phát phát sinh tia lửa điện trong không khí giữa hai điện cực dạng khác nhau.
3. Ứng dụng
Tia lửa điện được dùng phổ biến trong động cơ nổ để đốt hỗn hợp trong xilanh. Bộ phận phát tia lửa điện là bugi.
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 ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.
2. Ứng dụng
Hồ quang điện có nhiều ứng dụng như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu,….
Sơ đồ tư duy về dòng điện trong chất khí
