DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ

BÀI 15: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ

A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Chất khí là môi trường cách điện

• Không khí nói riêng hay chất khí nói chung không dẫn điện vì các phân tử khí đều trung hòa điện, nên trong chất khí không có hạt tải điện.

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

• Ở điều kiện thường, chất khí không dẫn điện.
• Trong một số điều kiện đặc biệt như khi có ngọn lửa ga hay chiếu bức xạ của tia tử ngoại, không khí trở nên dẫn điện.

3. Bản chất dòng điện trong chất khí

a) Sự ion hóa chất khí và tác nhân ion hóa

• Tác nhân ion hóa: những tác động làm cho chất khí trở nên dẫn điện. Nguyên nhân là những tác nhân này có năng lượng cao, chúng tách các phân tử khí trung hòa thành những ion dương và êlectron tự do, những êlectron tự do lại có thể kết hợp với những phân tử khí trung hòa tạo nên ion âm.
• Hạt tải điện trong chất khí: Các ion dương, ion âm và êlectron.
• Bản chất dòng điện trong chất khí: Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển rời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, êlectron ngược chiều điện trường. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hóa sinh ra.
• Chú ý: Khi mất tác nhân ion hóa các ion dương, ion âm, êlectron trao đổi điện tích với nhau tạo nên các phân tử khí trung hòa, lúc này, không khí trở thành không dẫn điện.

b) Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

• Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí: là quá trình xảy ra khi ta phải dùng tác nhân ion hóa từ bên ngoài để tạo ra các hạt tải điện trong chất khí.
• 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:

c) 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 gọi là hiện tượng nhân số hạt tải điện.
• Quá trình nhân số hạt tải điện:
• Tác nhân ion hóa (điện trường ngoài) tạo ra các ion dương và êlectron.
• Êlectron có kích thước nhỏ nên đi được quãng đường dài hơn. Khi điện trường đủ lớn, động năng của êlectron cũng đủ lớn để khi va chạm với các phân tử khí rung hòa sẽ là ion hóa các phân tử này.
• Quá trình này diễn ra theo kiểu thác lũ làm mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho tới khi êlectron đến anôt.
• Lúc này, chất khí trở nên dẫn điện tốt hơn và dòng điện chạy qua chất khí tăng nhưng vẫn phụ thuộc vào số hạt tải điện mà tác nhân ion hóa từ bên ngoài sinh ra trong chất khí.

4. 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.
• Điều kiện: trong hệ phải gồm chất khí và các điện cực phải tự tại ra các hạt tải điện mới để bù lại số hạt tải điện đã đi đến điện cực và biến mất.

Có bốn cách chính để tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:

• Cách 1: Dòng điện chạy qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hóa.
• Cách 2: Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hóa ngay khi đến nhiệt độ thấp.
• Cách 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 êlectron.
• Cách 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.

Tùy 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 là tia lửa điện và hồ quang điện.

5. Tia lửa điện và hồ quang điện

B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

Phần này chủ yếu là lí thuyết và bài tập định tính giải thích các hiện tượng liên quan đến dòng điện trong chất khí, do đó các em cần nắm vững và vận dụng linh hoạt các kiến thức ở mục A vào từng câu hỏi cụ thể.

C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 86 SGK Vật Lí 11):

Nếu không khí dẫn diện thì:

a) Mạng điện trong gia đình có an toàn không?

b) Ô tô, xe máy có chạy được không?

c) Các nhà máy điện sẽ ra sao?

Trả lời:

Nếu không khí dẫn diện thì tất cả hệ thống điện thiết kế như hiện nay đều không thể hoạt động được, điện từ nguồn cung cấp luôn luôn chạy đi khắp nơi. Ta không thể ngắt điện và cũng không thể nối điện vào các thiết bị được.

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 vì nguồn điện để đánh lửa ở bugi bị nối tắt.

c) Ở các nhà máy điện, điện sau khi được tạo ra sẽ truyền khắp nơi mà không cần dây tải.

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?

Trả lời:

Ngay từ lúc chưa đốt đèn thủy ngân, chất khí cũng dẫn điện ít nhiều là vì chất khí bị các tác nhân ion hóa như tia vũ trụ, tia tử ngoại trong bức xạ của Mặt Trời … chiếu vào.

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?

Trả lời:

Trong quá trình dẫn điện không tự lực của khí, dòng điện đạt giá trị bão hòa khi mọi êlectron và ion khí do tác nhân ion hóa sinh ra đều đến được điện cực, không bị tái hợp với nhau ở dọc đường, và không có quá trình nhân số hạt tải điện.

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?

Trả lời:

• 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.

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?

Trả lời:

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 tích tập trung nhiều nên điện trường rất mạnh, dễ dàng có sự phóng tia lửa điện giữa dám 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.

D. CÂU HỎI – BÀI TẬP

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 và trong chất khí.

Lời giải:

Hình 15.2 vẽ sơ đồ thí nghiệm để phát hiện và đo dòng điện qua chất khí:

+ A, B là hai bản cực kim loại, ℰ là nguồn điện có suất điện động khoảng vài chực vôn, G là một điện kế nhạy, V là vôn kế, Đ là ngọn đèn ga (đặt giữa hai bản cực).

+ Chỉnh con chạy của biến trở R để cho vôn kế V chỉ một giá trị nào đấy và quan sát điện kế G, ta thấy:

• Khi không đốt đèn ga, kim điện kế hầu như chỉ số 0. Vậy bình thường chất khí hầu như không dẫn điện, trong chất khí có sẵn rất ít hạt tải điện.
• Đốt đèn ga, kim điện kế lệch đáng kể khỏi vị trí số 0
• Kéo đèn ga ra xa, dùng quạt thổi khí nóng đi qua giữa hai bản cực, kim điện kế vẫn lệch.
• Tắt đèn, chất khí lại hầu như không dẫn điện
• Thày đèn ga bằng đèn thủy ngân (tia tử ngoại) và làm thí nghiệm tương tự như trước, ta cũng thấy những kết quả tương tự.
• Từ đó rút ra kết luận: Ngọn lửa ga và bức xạ của đèn thủy ngân đã làm tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí.

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:

• Hiện tượng mật độ hạt tải điện trong chất khí do dòng điện chạy qua gọi là hiện tượng nhân số hạt tải điện.
• Quá trình nhân số hạt tải điện:
• Tác nhân ion hóa (điện trường ngoài) tạo ra các ion dương và êlectron.
• Êlectron có kích thước nhỏ nên đi được quãng đường dài hơn. Khi điện trường đủ lớn, động năng của êlectron cũng đủ lớn để khi va chạm với các phân tử khí rung hòa sẽ là ion hóa các phân tử này.
• Quá trình này diễn ra theo kiểu thác lũ làm mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho tới khi êlectron đến anôt.
• Lúc này, chất khí trở nên dẫn điện tốt hơn và dòng điện chạy qua chất khí tăng nhưng vẫn phụ thuộc vào số hạt tải điện mà tác nhân ion hóa từ bên ngoài sinh ra trong chất khí.

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 tia lửa điện là do sự ion hóa chất khí do va chạm (vì điện trường mạnh) và sự ion hóa chất khí do tác dụng của các bức xạ phát ra trong tia lửa điện.
• Nguyên nhân gây ra hồ quang điện là do hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử và sự bật các êlectron ra khỏi catôt khi các ion dương có năng lượng lớn đập vào.

Bài 4 (trang 93 SGK Vật Lí 11):

Vì sao dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng êlectron chạy từ catôt đến anôt?

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 catôt để nó phát được êlectron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử. Vì vậy dòng điện trong hồ quang điện chủ yếu là dòng êlectron chạy từ catôt đến anôt.

Bài 5 (trang 93 SGK Vật Lí 11):

Trình bày thao tác hàn điện và giải thích vì sao phải làm thế.

Lời giải:

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 đó 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 Lí 11):

Phát biểu nào là chính xác?

Dòng điện trong chất khí có thể là dòng chuyển động có hướng của

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

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

C. các êlectron và icon ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

D. các êlectron và icon sinh ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

Lời giải: Chọn D.

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

Bài 7 (trang 93 SGK Vật Lí 11):

Phát biểu nào là chính xác?

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 hóa.

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 hóa.

Lời giải: Chọn B.

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

Bài 8 (trang 85 SGK Vật Lí 11):

Hiệu điện thế đủ để phát sinh tia lửa điện trong không khí giữa hai điện cực dạng khác nhau, ở các khoảng cách khác nhau được ghi trong bảng 15.1 dưới đây.

Từ Bảng 15.1, các em 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 cục bugi xe máy khi xe chạy bình thường.

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

Lời giải:

a) Từ bảng số liệu ta thấy ở khoảng cách d = 600 mm = 0,6 m thì hiệu điện thế là U = 300000 V

\(\Rightarrow E=\frac{U}{d}=\frac{300000}{0,6}=500000\,V/m\)

Khoảng cách giữa đám mây cao 200 m và một ngọn cây cao 10 m.

d1 = 200 – 10 = 190 m

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

U1 = E.d1 = 500000. 190 = 0,95.108 V/m

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

\(\Rightarrow E=\frac{U}{d}=\frac{20000}{0,0061}={{3,3.10}^{6}}\,V/m\)

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 = 3,3.106.1.10-3 = 3300 V

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

\(\Rightarrow E=\frac{U}{d}=\frac{200000}{0,41}=487800\,V/m\)

Khoảng cách từ đường dây điện U3 = 120 kV tới chỗ đứng có nguy cơ bị điện giật là:

\({{\text{d}}_{3}}=\frac{{{\text{U}}_{3}}}{\text{E}}=\frac{{{120.10}^{3}}}{487800}=0,25~\,\text{m}=25~\,\text{cm}\)

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 eclectron nhận được trên quãng đường bay tự do đủ để icon hóa 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:

Dựa vào hiệu ứng tuyết lở để giải thích:

Ban đầu có 1 êlectron, dưới tác dụng của điện trường sinh ra giữa hai điện cực êlectron sẽ bay từ điện cực âm về điện cực dương.

Cứ sau mỗi khoảng bay một quãng đường bằng quãng đường bay tự do trung bình λ = 4 cm thì mỗi êlectron có thể ion hóa các phần tử khí và sinh thêm được 1 êlectron. Vậy số êlectron có ở các khoảng cách điều điện cực 4n (với n = 1,2,3,..) lần lượt là:

• n = 1 → ℓ = 4 cm: có 2 êlectron → số êlectron sinh thêm là: 2 – 1 = 1 hạt

• n = 2 → ℓ = 8 cm: có 4 êlectron → số êlectron sinh thêm là: 4 – 2 = 2 hạt

• n = 3 → ℓ = 12 cm: có 8 êlectron → số êlectron sinh thêm là: 8 – 4 = 4 hạt

• n = 4 → ℓ = 16 cm: có 16 êlectron → số êlectron sinh thêm là: 16 – 8 = 8 hạt

• n = 5 → ℓ = 20 cm: có 32 êlectron → số êlectron sinh thêm là: 32 – 16 = 16 hạt

Vậy tổng số êlectron sinh ra từ 1 êlectron ban đầu khi bay từ cực âm đến cực đương là:

N1 = 1 + 2 + 4 + 8 + 16 = 31 hạt

Tương ứng với mỗi êlectron sinh ra xuất hiện thêm một ion dương.

Vậy tổng số hạt sinh ra từ 1 êlectron ban đầu khi bay từ cực âm đến cực dương là: N = 2.N1 = 62 hạt

Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài dòng điện trong chất khí do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc bác bạn học tập vui vẻ.