Bài 15: Dòng điện trong chất khí

• Chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí đều ở trạng thái trung hoà điện, do đó trong chất khí không có các hạt tải điện

• 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

1.3.1. Sự ion hoá chất khí và tác nhân ion hoá

•   Ngọn lửa ga, tia tử ngoại của đèn thuỷ ngân trong thí nghiệm trên 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.

•   Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường.

•   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,

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

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

•   Quá trình dẫn diện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của I theo U trong quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí.

1.3.3. 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

Quá trìn nhân số hạt tải điện theo kiểu thác lũ ( tuyết lở)

• 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:

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

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

  • 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.

  • 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.

1.5.1. 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 electron tự do.

1.5.2. Điều kiện để tạo ra tia lửa điện

1.5.3. Ứng dụng

•   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.

•   Giải thích hiện tượng sét trong tự nhiên

1.6.1. 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.

•   Hồ quang điện có thể kèn theo toả nhiện và toả sáng rất mạnh.

1.6.2. 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.

1.6.3. Ứng dụng

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

Bài 1:

Vì sao khi đi đường gặp mưa giông, sấm sét dữ dội ta không nên đứng yên trên gò đất cao hoặc trú dưới gốc cây mà nên nằm dán người xuống đất?

Hướng dẫn giải:

• Khi có mưa giông, các đám mây ở gần mặt đất thường tích điện âm và mặt đất tích điện dương. 

• Giữa các đám mây và mặt đất có hiệu điện thế rất lớn. Những chỗ nhô cao trên mặt đất như gò cao hay ngọn cây là những 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 nên đứng trên những gò cao hoặc trú dưới gốc cây mà nên nằm dán xuống đất.

Bài 2:

Tại sao cột thu lôi có chức năng bảo vệ tòa nhà khi gặp sét tấn công

Hướng dẫn giải:

• Cột thu lôi,hay cột chống sét là một thanh kim loại hoặc vật bằng kim loại được gắn trên đỉnh của một tòa nhà, điện ngoại quan bằng cách sử dụng một dây dẫn điện để giao tiếp với mặt đất hoặc đất thông qua một điện cực, thiết kế để bảo vệ tòa nhà trong trường hợp sét tấn công. 

• Sét sẽ đánh xuống mục tiêu là trình xây dựng và sẽ đánh vào cột thu lôi rồi được truyền xuống mặt đất thông qua dây dẫn, thay vì đi qua tòa nhà, nơi nó có thể bắt đầu một đám cháy hoặc giật điện gây ra. 

• Đây là một công cụ rất hữu ích với con người, có thể giúp chúng ta giảm thiểu nguy cơ từ sét.

Bài 3:

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

Hướng dẫn 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 năm số êlectron tự do tạo thành là 2⁵ = 32.

• Vậy số hạt êlectron được tạo ra do iôn hóa là n = 32 - 1 = 31.

• Số hạt tải điện (bao gồm êlectron và iôn dương) tạo thành do iôn hóa là 2n = 62 hạt.

Qua bài giảng Dòng điện trong chất khí này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như :

• Phân biệt được sự dẫn điện không tự lực và sự dẫn điện tự lực trong chất khí, từ đó rút ra bản chất dòng điện trong chất khí

• Phân biệt được hai quá trình dẫn điện tự lực quan trọng trong không khí là hồ quang điện và tia lửa điện, điều kiện tạo ra nó, ứng dụng của các hiện tượng đó

• Trình bày được các ứng dụng chính của quá trình phóng điện trong chất khí.

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật lý 11 Bài 15 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. 

• Câu 1:

  Đối với dòng điện trong chất khí

  • A. Muốn có quá trình phóng điện tự lực trong chất khí, thì catôt phải được đốt nóng đỏ.
  • B. Muốn có quá trình phóng điện tự lực trong chất khí thì phải có các electron phát ra từ catôt.
  • C. Khi phóng điện hồ quang, các ion trong không khí đến đập vào catôt làm catôt phát ra electron.
  • D. Hiệu điện thế giữa hai điện cực để tạo ra tia lửa điện trong không khí chỉ phụ thuộc vào hình dạng điện cực, không phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng.

• Câu 2:

  Tia lửa điện hình thành do

  • A. Chất khí bị ion hóa do tác dụng của tác nhân ion hóa.
  • B. Catôt bị nung nóng phát ra electron.
  • C. Quá trình tao ra hạt tải điện nhờ điện trường mạnh.
  • D. Catôt bị các ion dương đập vào làm phát ra electron.

• Câu 3:

  Để tạo ra hồ quang điện giữa hai thanh than, lúc đầu người ta cho hai thanh than tiếp xúc với nhau sau đó tách chúng ra. Việc làm trên nhằm mục đích

  • A. để tạo ra sự phát xạ nhiệt electron.
  • B. để các thanh than nhiễm điện trái dấu.
  • C. để các thanh than trao đổi điện tích.
  • D. để tạo ra hiệu điện thế lớn hơn.

• Câu 4:

  Để có thể tạo ra sự phóng tia lửa điện giữa hai điện cực đặt trong không khí ở điều kiện thường thì

  • A. điện trường giữa hai điện cực phải có cường độ trên 3.10⁶V/m.
  • B. hai điện cực phải đặt rất gần nhau.
  • C. hiệu điện thế giữa hai điện cực không nhỏ hơn 220 V.
  • D. hai điện cực phải làm bằng kim loại.

Câu 5- Câu 13: Xem thêm phần trắc nghiệm để làm thử Online 

Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Vật lý 11 Bài 15 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.

Bài tập 3 trang 112 SGK Vật lý 11 nâng cao

Bài tập 15.1 trang 38 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.2 trang 38 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.3 trang 38 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.4 trang 38 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.4 trang 38 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.5 trang 38 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.6 trang 39 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.7 trang 39 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.8 trang 39 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.9* trang 39 SBT Vật lý 11

Bài tập 15.10* trang 39 SBT Vật lý 11

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý Chúng tôi sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!