Giải bài 15 vật lí 11: Dòng điện trong chất khí

A. Lý thuyết

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

Ở điều kiện thường, chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí đều trung hòa điện, nên trong chất khí không có hạt tải 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.

II. Bản chất dòng điện trong chất khí

1. 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 lượn cao, chúng tách các phân tử khí trung hòa thành những ion dương và electron tự do, những electron 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 electron.

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, electron 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, electron trao đổi điện tích với nhau tạo nên các phân tử khí trung hòa, lúc này, không khí trở thành không dẫn điện.

2. 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:

Đoạn Oa: U nhỏ, I tăng theo U.

Đoạn ab: U đủ lớn, dòng điện I đạt giá trị bão hỏa.

Đoạn bc: U quá lớn, I tăng nhanh khi U tăng. Lúc này mật độ hạt tải điện tăng nhanh.

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 electron.
• Electron có kích thước nhỏ nên đi được quãng đường dài hơn. Khi điện trường đủ lớn, động năng của electron 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 electron đến anot.
• 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.

III. 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.

Cách tạo ra hạt tải điện 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: Catot 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.

Cách 4: Catot không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào làm bật electronra khỏi catot và trở thành hạt tải điện.

Có hai kiểu phóng điện tự lực thường gặp là tia lửa điện và hồ quang điện.

IV. Tia lửa điện và hồ quang điện

Chú ý: Dòng điện trong hồ quang điện chủ yếu là dòng các electron đi từ catot đến anot nhưng cũng có một phần là dòng ion dương từ anot đến catot.