Vật Lí 11 Bài 15: Dòng điện trong chất khí
A. Lý thuyết Dòng điện trong chất khí
I. Chất khí là môi trường cách điện
Trong thực tế đời sống, cho thấy không khí không dẫn điện. Vì các phân tử khí đều ở trạng thái trung hòa điện, do đó trong chất khí không có các hạt tải điện.
Không khí bình thường không dẫn điện
II. Sự dẫn điện của chất khí trong điều kiện thường
Thực ra, chất khí không phải tuyệt đối không dẫn điện. Trong thí nghiệm khi đốt ngọn lửa ga, bức xạ của đèn thủy ngân đã làm tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí. Kim điện kế lệch khỏi vị trí số 0.
Không khí được đốt nóng, thổi vào giữa 2 bản cực
III. Bản chất dòng điện trong chất khí
1. Sự ion hóa chất khí và tác nhân ion hóa
– Chất khí chỉ dẫn điện khi có các hạt tải điện (các ion dương, ion âm và các eletron tự do) do tác nhân ion hóa sinh ra (ngọn lửa ga (nhiệt độ rất cao), tia tử ngoại của đèn thủy ngân).
Quá trình ion hóa 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 electron ngược chiều điện trường.
2. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí
– Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí xảy ra khi ta phải dùng tác nhân ion hóa từ bên ngoài để tạo ra hạt tải điện trong chất khí.
– Quá trình dẫn điện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.
Sự phụ thuộc của I theo U
3. 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.
– Khi electron và ion dương sinh ra do tác nhân ion hóa. Do electron nhỏ hơn ion dương nên đi được quãng đường dài hơn, nó nhận năng lượng từ điện trường ngoài đến va chạm với các phân tử trung hòa thì ion hóa nó, biến nó thành electron tự do và ion dương. Quá trình cứ như vậy diễn ra theo kiểu thác lũ.
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 chủ động tạo ra hạt tải điện, 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.
V. Tia lửa điện và điều kiện tạo ra tia lửa điện
– 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.
– 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 đến giá trị ngưỡng vào khoảng 3.106 V/m.
+ Hiệu điện thế đủ đề phát sinh tia lửa điện trong không khí giữa hai điện cực dạng khác nhau, ở các khoảng cách khác nhau.
– 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.
Cấu tạo bugi
Sét là tia lửa điện hình thành giữa đám mây và mặt đất
VI. Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện
– 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 kèm theo tỏa nhiệt và tỏa sáng rất mạnh.
– Điều kiện tạo ra hồ quang điện:
+ Người ta làm cho hai điện cực nóng đỏ đến mức có thể phát ra được một lượng lớn electron bằng sự phát xạ nhiệt electron.
+ Tạo ra một điện trường đủ mạnh giữa hai điện cực để ion hóa chất khí, tạo ra tia lửa điện giữa hai điện cực.
+ Khi có tia lửa điện, quá trình phóng điện tự lực tiếp tục được duy trì, nó tạo ra một cung sáng chói như ngọn lửa nối hai điện cực, người ta gọi là hồ quang điện.
Hồ quang điện
– Ứng dụng: Hồ quang điện có nhiều ứng dụng như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu…
Hàn điện
Bugi trong động cơ nổ (xe máy, ô tô)
B. Trắc nghiệm Dòng điện trong chất khí
Bài 1. 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.
Đáp án: C
Ở điều kiện thường, không khí là điện môi. Khi có tác nhân ion hóa (ví dụ như bị đốt nóng), không khí trở nên dẫn điện, có dòng điện chạy qua không khí từ bản nọ sang bản kia. Đó là sự phóng điện trong không khí.
Bài 2. Chất khí có thể dẫn điện không cần tác nhân ion hoá trong điều kiện
A. Áp suất của chất khí cao
B. Áp suất của chất khi thấp
C. Hiệu điện thế rất cao
D. Hiệu điện thế thấp
Đáp án: C
Chất khí có thể dẫn điện không cần tác nhân ion hoá trong điều kiện hiệu điện thế rất cao để tạo ra một điện trường cực mạnh.
Ví dụ: Tia lửa điện (tia điện) là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí khi có tác dụng của điện trường đủ mạnh.
Bài 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.
Đáp án: D
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế giữa anot và catot có dạng phức tạp, không tuân theo định luật Ôm (trừ hiệu điện thế rất thấp)
Bài 4. Nhận xét nào sau đây sai đối với đồ thị vôn-ampe (Hình vẽ) của chất khí?
A. Khi U < Ub, dòng điện trong chất khí gần đúng tuân theo định luật Ôm
B. Khi Ub < U < Uc, dòng điện không thay đổi là do không có hạt tải điện
C. Khi U > Uc, dòng điện tăng vọt là vì có sự ion hoá do va chạm
D. Khi U > Uc sẽ xuất hiện tia lửa điện
Đáp án: B
Khi Ub < U < Uc công của lực điện trường đủ lớn để có thể đưa được tất cả các electron tự do trong chất khí đó về được anot, nhưng chưa đủ lớn để ion hóa chất khí. Vì vậy dù tăng U sao cho Ub < U < Uc thì số lượng electron tham gia vào dòng điện không tăng lên nữa ⇒ cường độ dòng điện giữ nguyên giá trị bằng Ib.
Bài 5. 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
. 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.
Đáp án: C
Sự phóng điện khi ngừng tác dụng của tác nhân ion hóa gọi là sự phóng điện tự lực hay phóng điện tự duy trì.
Quá trình dẫn điện tự lực của không khí là quá trình dẫn điện trong không khí khi có hiện tượng nhân số hạt tải điện, thường gặp ở tia lửa điện, hồ quang điện.
Bài 6. Dòng điện trong chất khí chỉ có thể là dòng chuyển dời có hướng của
A. các ion âm mà ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí
B. các ion dương mà ta đưa từa bên ngoài vào trong chất khí
C. các electron mà ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí
D. các electron và ion được tạo ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí
Đáp án: D
Bản chất dòng điện trong chất khí: là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, electron ngược chiều điện trường. Các electron và ion được tạo ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.
Bài 7. Chọn các quy ước đúng về cách gọi sấm, sét trong vật lí
A. Sấm là tiếng nổ khi có sự phóng điện giữa các đám mây với nhau
B. Sét là tiếng nổ khi có sự phóng điện trọng tự nhiên với cường độ lớn
C. Sấm là tiếng nổ khi có sự phóng điện trong tự nhiên với cường độ nhỏ
D. Sét là tiếng nổ khi có sự tiếp xúc giữa đám mây với mặt đất
Đáp án: A
Sét phát sinh do sự phóng điện giữa các đám mây tích điện trái dấu hoặc giữa một đám mây tích điện với mặt đất tạo thành tia lửa điện khổng lồ.
Sấm là tiếng nổ khi có sự phóng điện giữa các đám mây với nhau.
Bài 8. Tìm phương án đúng khi giải thích hiện tượng hồ quang điện
A. Là hiện tượng phóng điện trong không khí mà không có tác nhân ion hoá.
B. Tác nhân ion hoá trong hiện tượng hồ quang điện là ánh sáng của chính nó.
C. Là sự dẫn điện trong không khí với tác nhân ion hoá bởi nhiệt của sự va chạm giữa các hạt dẫn điện với điện cực.
D. Là sự dẫn điện trong không khí với hiệu điện thế đặt vào các điện cực rất lớn.
Đáp án: C
Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn. Hồ quang điện có thể kèm theo tỏa nhiệt và tỏa sáng rất mạnh.
Muốn tạo ra hồ quang điện, ban đầu phải cho hai đầu thanh than chạm vào nhau vì khi đó mạch điện bị nối tắt, dòng điện trong mạch rất lớn làm cho chỗ chạm nhau của hai thanh than nóng đỏ, không khí xung quanh hai đầu thanh than bị đốt nóng. Khi tách hai đầu thanh than ra một khoảng ngắn, trong không khí lúc này xảy ra sự phóng điện giữa hai đầu thanh, đó là nguyên nhân gây ra hồ quang điện.
Bài 9. Chọn những thiết bị áp dụng sự phóng điện trong không khí
A. Đèn hình tivi
B. Bugi trong động cơ nổ
C. Đèn cao áp
D. Đèn sợi đốt
Đáp án: C
Trong động cơ nổ, bộ phận tạo ra tia lửa điện là bugi, đó chỉ là hai điện cực gắn vào một khối sứ cách điện cách nhau một khoảng rất nhỏ (vài phần mười mm).
Bài 10. 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
A. I = 1,024 A; từ cực dương sang cực âm
B. I = 0,32 A; từ cực dương sang cực âm
C. I = 1,024 A; từ cực âm sang cực dương
D. I = 0,32 A; từ cực âm sang cực dương
Đáp án: C
Chiều dòng điện trong ống phóng điện là từ cực dương sang cực âm của ống. Cường độ dòng điện qua ống:
