15. Dòng điện Trong Chất Khí - Củng Cố Kiến Thức

I. Chất khí là môi trường cách điện

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

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

Qua thí nghiệm nhận thấy:

- Bình thường chất khí hầu như không dẫn điện, trong chất khí có sẵn rất ít hạt tải điện.

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

III. Bản chất dòng điện trong chất khí

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

- Ngọn lửa ga (nhiệt độ rất cao), tia tử ngoại của đèn thuỷ ngân trong thí nghiệm trên được gọi là các tác nhân ion hoá. Nhờ có năng lượng cao, chúng ion hoá chất khí, tách phân tử khí trung hoà thành ion dương và êlectron tự do. Êlectron tự do lại có thể kết hợp với phân tử khí trung hoà thành ion âm. Các hạt tích điện này là hạt tải điện 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 hoá sinh ra.

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

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

Nó chỉ tồn tại khi ta tạo ra hạt tải điện trong khối khí ở giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng việc tạo ra hạt tải điện.

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

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.

IV. 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.

Muốn có quá trình dẫn điện tự lực thì trong hệ gồm chất khí và các điện cực phải tự tạo 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 dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:

- Dòng điện chạy 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 êlectron gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt êlectron.

- 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.

Tuỳ cơ chế sinh hạt tải điện mới trong chất khí mà ta có các kiểu phóng điện tự lực khác nhau, thường gặp nhất là tia lửa điện và hồ quang điện.

V. Tia lửa điện và điều kiện tạo ra tia lửa điện

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 êletron tự do.

2. Điều kiện tạo ra tia lửa điện

Tia lửa điện có thể hình thành trong không khí ở điều kiện thường, khi điện trường đạt đến giá trị ngưỡng vào khoảng 3.106 V/m.

3. Ứng dụng

- Tia lửa điện được dùng phổ biến trong động cơ nổ để đốt hỗn hợp nổ (là hơi xăng lẫn 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 mô đất cao, ngọn cây.

VI. Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện

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.

2. Điều kiện tạo ra hồ quang điện

Để mồi hồ quang điện, thoạt đầu người ta phải làm cho hai điện cực nóng đỏ đến mức có thể phát ra được một lượng lớn êlectron bằng sự phát xạ nhiệt êlectron. Sau đó, ta tạo ra một điện trường đủ mạnh giữa hai điện cực để ion hoá chất khí, tạo ra tia lửa điện giữa hai điện cực. Khi đã có tia lửa điện, quá trình phóng điện tự lực sẽ vẫn tiếp tục duy trì, mặc dù ta giảm hiệu điện thế giữa hai điện cực đến giá trị không lớn. Nó tạo hồ quang điện.

3. Ứng dụng

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