Giải bài tập dòng điện trong chất khí

Bài 15: Dòng điện trong chất khí A. KIẾN THỨC CẦN NẮM VỮNG Chất khí vốn không dẫn điện, chất khí chỉ dẫn điện khi có hạt tải điện (êlectron, ion) sinh ra trong đó do tác nhân ion hóa. 1. Bản chất dòng diện trong 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 êlectron ngược chiều điện trường. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hóa sinh ra. 2. Quả trình dẫn diện khống tự lực của chất khí ...

Bài 15: Dòng điện trong chất khí

A. KIẾN THỨC CẦN NẮM VỮNG

Chất khí vốn không dẫn điện, chất khí chỉ dẫn điện khi có hạt tải điện (êlectron, ion) sinh ra trong đó do tác nhân ion hóa.

1. Bản chất dòng diện trong 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 êlectron ngược chiều điện trường. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hóa sinh ra.

2. Quả trình dẫn diện khống tự lực của chất khí

* Là quá trình dẫn điện chỉ tồn tại khi tạo ra hạt tải điện trong khôi khí ở giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng việc tạo ra hạt tải điện.

* Quá trình dẫn điện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.

3. Hiện tượng nhàn sô hạt tải điện

- Là hiện tượng tăng mật độ hạt tải điện trong môi trường khi do dòng điện chạy qua gây ra.

- Khi dùng nguồn điện áp lớn để tạo ra sự phóng điện qua chất khí, ta thấy có hiện tượng nhân số hạt tải điện.

4. Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí

Là quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì, không cần liên tục tạo ra hạt tải điện. Nói cách khác là quá trình phóng điện vẫn tiếp tục duy trì khi không còn tác nhân ion hóa tác động từ bên ngoài.

5. Tia lửa diện

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 hòa thành ion dương và êlectron tự do. 

6. Hồ quang điện

Là quá trình phóng điện- tự xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn. Catôt luôn được duy trì ở nhiệt độ cao để phát xạ nhiệt electron.

B. CÂU HỎI VẬN DỤNG

C1. Nếu không khí dẫn điện 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?

Hướng dẫn

Nếu không khí dẫn điện thì:

a) Mạng điện gia đình sẽ không an toàn và rất nguy hiểm vì khi đó điện sẽ truyền đi khắp nơi, con người và các vật đều bị điện giật.

b) Ô tô, xe máy không thể chạy được vì nguồn điện từ bugi sẽ truyền ra không khí mà không truyền đến buồng đốt của động cơ.

c) Các nhà máy điện sẽ bị chập mạch, không hoạt động được và bị cháy.

C2. Vì sao mà ngay khi chưa đốt đèn ga chất khí cũng dẫn điện ít nhiều?

Hướng dẫn

Ngay khi chưa đốt đèn ga chất khí cũng dẫn điện ít nhiều là do trong chất khí, các phân tử khí vốn trung hòa về điện dưới tác dụng của các tia vũ trụ, tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời, chúng cũng bị iôn hóa. Kết quả là trong chất khí vẫn tồn tại (tuy rất ít) các hạt mang điện như électron và các iôn.

C3. Trong quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí, khi nào dòng điện đạt giá trị bão hòa?

Hướng dẫn

Trong quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí, dòng điện đạt giá trị bão hòa khi hiệu điện thế Ư đủ lớn. Lúc ây toàn bộ hạt tải điện (ion, électron) được tạo ra mồi giây trong chất khí đã dịch chuyển đến các cực, nên mặc dù hiệu điện thế Ư tăng nhưng dòng điện vẫn không tăng.

C4. Khi có quá trình nhân sô' hạt tải điện thì cường độ điện trường tại các điểm khác nhau giữa hai bản cực có giông nhau không? Tại sao?

Hướng dẫn

Khi có quá trình nhân số hạt tải điện thì cường độ điện trường tại các điểm khác nhau giữa hai bản cực không giông nhau, nơi nào có mật độ hạt tải điện nhỏ hoặc không trung hòa điện thì nơi ấy có điện trường lớn và ngược lại.

C5. Vì sao khi đi đường gặp mưa giông, sâm sét dữ dội, ta không nên đứng yên trên những gò đất cao hoặc trú mưa dưới gốc cây mà nên dán người xuống đất? 

Hướng dẫn

Khi đi đường gặp mưa giông, sấm sét dữ dội, ta không nên đứng yên trên những gò đất cao hoặc trú mưa dưới gốc cây vì khi đó các đám mây ở gần mặt đất tích điện âm còn mặt đất tích điện dương. Giữa đám mây và mặt đất có hiệu điện thế lớn. Những chỗ cao trên mặt đất là nơi có điện trường mạnh, dễ bị phóng tia lửa điện (sét) nhát. Vì vậy cần dán người xuống đất để tránh những tia lửa điện có trong không khí (tránh bị sét đánh).

C. CÂU HỎI - BÀI TẬP

1. Mô tả thí nghiệm phát hiện và đo dòng điện qua chất khí và cách đưa hạt tải điện vào trong chất khí.

Hướng dẫn

Thí nghiệm phát hiện và đo dòng điện qua chất khí và cách đưa hạt tải điện vào trong chất khí được biểu diễn trên hình 15.1. A, B là hai bản cực kim loại, £ là nguồn điện có suất điện động khoảng vài chục vôn, G là một điện kế nhạy, V là vôn kế, D là ngọn đèn ga dùng để làm nóng không khí giữa hai bản cực. Chỉnh con chạy của biến trở R đế vôn kế chỉ một giá trị nào đấy và khảo sát giá trị của điện kế G.

Trong thí nghiệm trên, cách đưa hạt tải điện vào trong chất khí thực chất là việc nung nóng chất khí bằng đèn ga để các phân tử khí bị iôn hóa tạo thành các iôn dương và êlectron tự do.

2. Trình bày hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí.

Hướng dẫn

Hiện tượng nhân hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí diễn ra như sau: Những hạt tải điện đầu tiên có trong chất khí là êlectron và các iôn dương do tác nhân iôn hóa sinh ra. Electron có kích thước nhỏ hơn iôn dương nên đi được quãng đường dài hơn iôn dương trước khi va chạm với một phân tử khí. Năng lượng mà êlectron nhận được từ điện trường ngoài trong quãng đường bay tự do lớn hơn năng lượng mà ion nhận được khoảng 5 đến 6 lần. Khi điện trường đủ lớn, động năng của êlectron cũng đủ lớn để khi va chạm với phân tử trung hòa thì iôn hoá nó, biến nó thành êlectron tự do và iôn dương. Quá trình diễn ra theo kiểu thác lũ làm mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho đến khi êlectron đến anốt.

3. Trình bày nguyên nhân gây ra hồ quang điện và tia lửa điện.

Hướng dẫn

Nguyên nhân gây ra hồ quang điện: Do phát xạ nhiệt êlectron từ catôt bị đốt nóng và quá trình nhân số hạt tải điện. 

Nguyên nhân gây ra tia lửa điện: Do quá trình iôn hóa chất khí và quá trình nhân hạt tải điện.

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

Hướng dẫn

Dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng êlectron chạy từ catốt đến anốt vì ngay khi tạo ra hồ quang điện người ta phải làm cho hai điện cực nóng đỏ đến mức có thể phát ra một lượng lớn các êlectron băng hiệu ứng phát xạ nhiệt điện tử. Trong quá trình phóng điện hồ quang, khi các iôn dương đập vào catốt, chúng lại truyền cho cực này năng lượng mà chúng đã nhận được từ nguồn điện, làm cho catốt duy trì được trạng thái nóng đỏ và có khả năng phát xạ nhiệt êlectron. Các êlectron phát ra với số lượng lớn đi ngược chiều điện trường đến anốt.

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

Hướng dẫn

Khi hàn điện người ta dùng máy hàn gồm một nguồn điện tạo hiệu điện thế khoảng vài chục vôn và điện trở trong rất nhỏ để có thê tạo ra dòng điện lớn (hàng trăm ampe). Một cực của nguồn điện nối với vật cần hàn, cực kia nối với que hàn. Trước tiên, chạm que hàn vào vật cần hàn để mạch điện được nối, điểm tiếp xúc giữa que hàn và vật cần hàn nóng đỏ, sau đó nhấc que hàn ra. Khi que hàn vừa rời khỏi vật cần hàn, dòng điện bị ngắt đột ngột, suất điện động tự cảm tạo ra sẽ rất lớn, tạo ra tia lửa điện làm phát sinh hồ quang điện. Khi đó hồ quang điện làm nóng chảy que hàn vào chỗ cần hàn.

Trong bài tập 6 và 7 dưới dây, phát biểu nào là chính xác?

6. Dòng điện trong chất khí chỉ có thể là dòng chuyến dời có hướng của:

A. các êlectron mà ta đưa vào chất khí.

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

c. các êlectron và iôn mà ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

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

Hướng dẫn

Chọn câu D.

7. 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 iôn 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 tác nhân iôn hóa.

Hướng dẫn

Chọn câu B.

8. Từ báng sau đây (15.1) các em hãy ước tính:

a) Hiệu điện thế đã sinh ra tia sét giữa đám mây mưa cao 200m và một ngọn cây 10m.

b) Hiệu điện thế giữa hai cực của bugi xe máy khi chạy bình thường.

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

Hướng dẫn

a) Ngọn cây xem như mũi nhọn, nếu xem đám mây là mặt phẳng thì hiệu điện thế để có tia sét vào khoảng trung bình cộng của hai giá trị, tương ứng với trường hợp mũi nhọn và mặt phẳng cách nhau 190m. Vậy:

Hiêu điên thế tương ứng là: U = 190/6.300000 = 10⁷V

b) Khi thử xem bộ điện của xe máy có tốt không, người thợ thường cho phóng điện từ dây điện (mũi nhọn) ra vỏ máy (mặt phẳng). Ước chừng khoảng cách giữa hai cực của bugi xe máy là d = 5mm.

Ta có hiêu điên thế tương ứng là: U = 5/150.200000 = 645,2V

c) Trường hợp dây cao thế 120kV thì hiệu điện thế lớn nhất có thể  

Như vây, khoảng cách tương ứng là: d = 170000/100000.2,2 = 3.74m

9. Cho phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp, giữa hai điện cực cách nhau 20cm. Quãng đường bay tự do của các êlectron là 4cm. Cho năng lượng mà êlectron nhận được trong quãng đường bay tự do đủ để iôn hóa chất khí, hãy tính xem 1 êlectron đưa vào chất khí có thể sinh ra tối đa bao nhiêu hạt tải điện.

Hướng dẫn

Do hai điện cực cách nhau 20cm, quãng đường bay tự do của các êlectron là 4cm nên số lần iôn hóa là 5.

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