Giải Bài Tập SGK Vật Lý Lớp 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

Nội dung	Tia lửa điện	Hồ quang điện
Định nghĩa	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 electron tự do.	Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra ở trong chất khí áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.
Điều kiện	Điện trường ngoài đạt ngưỡng 3.106 V/m.	Hai điện cực phải nóng đỏ đến mức phát xạ nhiệt điện tử (phát xạ electron). Khi có được tia lửa điện, phải duy trì hiệu điện thế giữa hai điện cực đến giá trị không lớn để tạo ra cung sáng chói.
Ứng dụng	Động cơ nổ, trong các cơn dông	Hàn điện, đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu

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.

B. BÀI TẬP VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI

Câu 1: SGK trang 93:

Mô tả thí nghiệm phát hiện, đo dòng điện qua chất khí và cách tạo ra hạt tải điện trong chất khí.

Hướng dẫn giải

Lắp mạch điện theo sơ đồ:

A, B là hai bản cực kim loại.

ε là nguồn điện có suất điện động vào khoảng vài chục vôn.

G là điện kế nhạy.

V là vôn kế.

Đ là ngọn đèn ga đặt giữa hai bản cực.

Tiến hành thí nghiệm: Chỉnh con chạy của biến trở R để cho vôn kế V chỉ một giá trị nào đấy và quan sát điện kế G

Kết quả:

• Khi không đốt đèn ga, kim điện kế hầu như chỉ số 0.
• Khi đốt đèn ga, kim điện kế lệch khỏi vị trí 0.
• Kéo đèn ga ra xa, dùng quạt thổi khí nóng đi qua giữa hai bản cực, kim điện kế vẫn lệch.
• Tắt đèn, kim điện kế lại chỉ số 0.
• Thay đèn ga bằng đèn thủy ngân (nguồn phát tia tử ngoại) ta thấy những kết quả tương tự.

Kết luận:

• Bình thường, chất khí hầy như không dẫn điện.
• Ngọn lửa ga và bức xạ của đèn thủy ngân làm tăng số hạt tải điện trong không khí làm không khí trở lên dẫn điện.

Câu 2: SGK trang 93:

Trình bày hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trinh phóng điện qua chất khí?

Hướng dẫn giải

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.

Câu 3: SGK trang 93:

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

Hướng dẫn giải

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 ion hóa chất khí và quá trình nhân hạt tải điện.

Câu 4: SGK trang 93:

Vì sao dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng electron chạy từ anot đến catot.

Hướng dẫn giải

Dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng êlectron chạy từ catốt đến anốt vì

• Khi tạo ra hồ quang điện ta phải làm các điện cực phát xạ nhiệt điện tử (phát ra electron).
• Khi phóng điện hồ quang, ion dương đập vào catot truyền năng lượng cho điện cực làm cho catot nóng đỏ và có khả năng phát xạ nhiệt điện tử.
• Các êlectron phát ra với số lượng lớn đi ngược chiều điện trường đến anốt.

Câu 5: SGK trang 93:

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

Hướng dẫn giải

Thao tác hàn điện:

Dùng máy hàn gồm một nguồn điện tạo hiệu điện thế khoảng vài chục vôn và điện trở trong rất nhỏ để có thể tạo ra dòng điện lớn (hàng trăm ampe).

Nối các điện cực của nguồn điện với vật cần hàn và que hàn.

Chạm que hàn vào vật cần hàn để tạo mạch điện kín, điểm tiếp xúc giữa que hàn và vật cần hàn nóng đỏ, sau đó nhấc que hàn ra.

Khi đó, mạch điện hở, 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.

Hồ quang điện làm nóng chảy que hàn vào chỗ cần hàn.

Câu 6: SGK trang 93:

Phát biểu nào chính xác

Dòng điện trong chất khí chỉ có thể là dòng chuyển dời có hướng của:

A. Các electron mà ta đưa vào chất khí.

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

C. Các electron và ion mà ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

D. các electrong và ion sinh ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

Hướng dẫn giải

Chọn đáp án D.

Giải thích: Không khí trở nên dẫn điện khi có tác nhân ion hóa làm tách các electron thành electron tự do và ion dương trong không khí, các electron tự do lại có thể kết hợp với các phân tử khí trung hòa tạo ra các ion âm.

Câu 7: SGK trang 93:

Phát biểu nào là chính xác

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 ion hóa.

B. catot bị nung nóng phát ra electron.

C. quá trình nhân số hạt tải điện kiểu thác lũ trong chất khí.

D. chất khí bị tác dụng của các tác nhân ion hóa.

Hướng dẫn giải

Chọn đáp án B.

Câu 8: SGK trang 93:

Từ Bảng 15.1, các em ước tính:

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

b. Hiệu điện thế tối thiểu giữa hai cục bugi xe máy khi xe chạy bình thường.

c. Đứng cách xa đường dây điện 120 kV bao nhiêu thì có nguy cơ bị điện giật, mặc dù ta không chạm vào dây điện.

Hướng dẫn giải

a. Đám mây được xem như mặt phẳng; ngọn cây được xem như mũi nhọn.

Khoảng cách giữa đám mây và ngọn cây là: d = 190 m.

Nhận xét: Khi U0 = 300 000 (V) thì khoảng cách trung bình giữa hai điện cực là (Có thể là vật nhọn hoặc mặt phẳng)

D = (114 + 600) : 2 = 357 mm = 357.10-3 (m).

Vậy khi khoảng cách giữa hai điện cực là 190 m thì hiệu điện thế giữa chúng là:

\[U=\frac{d.{{U}_{0}}}{D}=\frac{190.300000}{{{357.10}^{-3}}}\approx {{10}^{8}}\]  (V).

b. Hai cục bugi được coi như hai mặt phẳng, khoảng cách giữa chúng vào khoảng 5 mm.

Hiệu điện thế giữa chúng là:

\[U=\frac{d.{{U}_{0}}}{D}=\frac{5.20000}{6,1}\approx {{10}^{4}}\] (V).

c. Hai điện cực được coi như hai mặt phẳng:

Khoảng cách tối thiểu là:  \[d=\frac{D.U}{{{U}_{0}}}=\frac{6,1.120}{20000}=0,036\] (m).

Câu 9: SGK trang 93:

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

Hướng dẫn giải

Quãng đường mà electron phải đi trước khi đến điện cực là: 20 cm, do đó có 5 lần ion hóa.

Mỗi lần va chạm thì 1 electron tạo ra được 2 hạt tải điện gồm một ion dương và một electron và chỉ có electron mới làm ion hóa.

Sau 5 lần ion hóa thì số electron được tạo ra là: 25 - 1 = 32 -1 = 31 electron (do ban đầu có 1 electron).

Vậy số hạt tải điện là n = 2.ne  = 2.31 = 62 hạt.