Lý thuyết Vật lý 11 Bài 15. Dòng điện trong chất khí

Lý thuyết Vật Lý 11 Bài 15. Dòng điện trong chất khí

Chất khí là môi trường cách điện

Chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí ở trạng thái trung hoà về điện nên trong chất khí không có hạt mang điện.

Tính dẫn điện của chất khí ở điều kiện bình thường

Qua thực nghiệm nhận thấy:

Thông thường, chất khí hầu như không dẫn điện, trong chất khí có rất ít hạt mang điện tích.

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.

Ngọn lửa khí và bức xạ của đèn thủy ngân đã làm tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí.

Bản chất của dòng điện trong chất khí

Sự ion hóa chất khí và chất ion hóa

– Ngọn lửa khí (nhiệt độ rất cao), tia tử ngoại của đèn thuỷ ngân trong thí nghiệm trên được gọi là chất ion hoá. Nhờ năng lượng cao, chúng ion hóa chất khí, tách phân tử khí trung hòa thành các ion dương và các điện tử tự do. Các electron tự do có thể kết hợp với các phân tử khí trung hòa để tạo thành các ion âm. Các hạt mang điện này là hạt mang điện tích trong chất khí.

Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển động có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm và êlectron ngược chiều điện trường. Các hạt mang điện này được tạo ra bởi một chất khí bị ion hóa.

Sự dẫn điện không tự lực của chất khí

Quá trình dẫn điện trong chất khí mà chúng ta vừa mô tả được gọi là quá trình dẫn (phóng điện) tự lực.

Nó chỉ tồn tại khi chúng ta tạo ra hạt tải điện trong chất khí giữa các tấm và biến mất khi chúng ta ngừng tạo hạt tải điện.

Thay đổi hiệu điện thế U giữa hai bản và ghi dòng điện I chạy qua chất khí, ta thấy quá trình dẫn điện tự lực không tuân theo định luật Ôm.

Hiện tượng nhân số hạt mang 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 được gọi là hiện tượng nhân hạt tải điện.

Dẫn điện tự cấp trong khí và các điều kiện dẫn điện tự cấp

Quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì, không cần chủ động tạo ra hạt tải điện, quá trình này gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) tự cung cấp năng lượng.

Để có quá trình dẫn điện tự lực, trong một hệ thống bao gồm chất khí và điện cực, phải tạo ra hạt tải điện mới để bù lại số hạt tải điện đã đi đến điện cực và biến mất.

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

Dòng điện chạy qua chất khí làm nhiệt độ chất khí tăng lên rất cao làm cho các phân tử chất khí bị ion hóa.

• Điện trường trong chất khí rất lớn làm cho phân tử chất khí bị ion hóa ngay khi ở nhiệt độ thấp.
• Catốt bị dòng điện đốt nóng đỏ làm cho nó có khả năng phát ra êlectron gọi là hiện tượng tỏa nhiệt êlectron.
• Catốt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào làm bật êlectron ra khỏi catốt và trở thành hạt tải điện.

Tùy theo cơ chế tạo hạt tải điện mới trong chất khí mà chúng ta có các kiểu phóng điện tự hành khác nhau, phổ biến nhất là phóng tia lửa điện và phóng điện vòng cung.

Tia lửa và điều kiện tạo tia lửa

Định nghĩa

Tia lửa điện là sự 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.

Điều kiện phát sinh tia lửa điện

Tia lửa điện có thể hình thành trong không khí ở điều kiện bình thường, khi điện trường đạt đến ngưỡng giá trị khoảng 3,10.⁶ V / m.

Ứng dụng

– Tia lửa điện thường dùng trong động cơ nổ để đốt cháy hỗn hợp nổ (xăng và không khí) trong xilanh gọi là bugi.

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

Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện

Định nghĩa

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

Điều kiện tạo ra hồ quang điện

Để đốt cháy hồ quang điện, trước hết người ta phải làm cho hai điện cực nóng đỏ đến mức có thể phát ra một số lượng lớn êlectron do phát xạ nhiệt êlectron. Sau đó ta 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. Một khi có tia lửa điện, quá trình phóng điện tự hành sẽ tiếp tục, mặc dù chúng ta giảm hiệu điện thế giữa hai điện cực xuống một giá trị nhỏ. Nó tạo ra hồ quang điện.

Ứng dụng

Hồ quang điện có nhiều ứng dụng như hàn, làm đèn, nung chảy vật liệu v.v.

xem thêm Lời giải Vật lý 11: Bài 15. Dòng điện trong chất khí

Đăng bởi: Trường ĐH KD & CN Hà Nội

Chuyên mục: Vật lý lớp 11, Vật lý 11