Dòng điện trong chất khí: Bản chất và ứng dụng trong thực tế

Dòng điện trong chất khí là một khái niệm đã được tìm hiểu trong môn Vật lý. Chúng ta đều được học chất khí là một môi trường cách điện trong điều kiện thường. Vậy thì tại sao người ta lại gọi là dòng điện trong chất khí? Dòng điện này có bản chất như thế nào và ứng dụng trong công việc gì? Các bạn hãy cùng thosuaxe.info tìm hiểu về dòng điện này trong bài viết dưới đây nhé!
Tìm hiểu về bản chất và ứng dụng của dòng điện trong chất khí
Tìm hiểu về bản chất và ứng dụng của dòng điện trong chất khí

Tổng quan về chất khí trong điều kiện thường

Trong điều kiện thường, chất khí không có khả năng dẫn điện do các phân tử khí ở trong trạng thái trung hòa điện. Do đó, nó không có các phần tử mang điện tích và các phần tử này được gọi là hạt tải điện. Chất khí chỉ dẫn điện khi có sự ion hóa phân tử tạo ra các phần tử ion tồn tại trong đó.

Khi ta sử dụng một ngọn đèn để đốt nóng chất khí hoặc cách tác động nhiệt khác thì sẽ có các hạt tải điện xuất hiện. Lúc này, chất khí mới có khả năng dẫn điện. Khi ta chiếu tia rơnghen, tia gamma, hay tia tử ngoại vào chất khí, thì nó sẽ có khả năng dẫn điện không tự duy trì. Dưới tác động của điện trường, các hạt mang điện sẽ tăng tốc và va chạm với những phần tử trung hòa ở trong chất khí.

Các phân tử chất khí trong điều kiện bình thường và khi có nhiệt độ
Các phân tử chất khí trong điều kiện bình thường và khi có nhiệt độ

Theo đó, những phần tử trung hòa sẽ bị ion hóa nên có tính dẫn điện tự duy trì. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ không cần dùng đến nguồn ion hóa phụ. Toàn bộ các quá trình nói trên đều có khả năng tạo ra dòng điện trong chất khí. Quá trình phóng điện có thể duy trì khi không có tác nhân ion hóa còn được gọi là phóng điện tự lực.

Tìm hiểu bản chất dòng điện trong chất khí

Khi nguồn ion hóa xuất hiện thì trong chất khí sẽ xảy ra 2 quá trình trái ngược nhau. Đầu tiên là sự phân rã các phân tử trung hòa tạo thành những ion mang điện. Quá trình thứ hai là sự tái hợp giữa các phân tử khác điện tích tạo thành phân tử trung hòa.

Chính vì thế, bản chất của dòng điện này là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương (+), ion âm (-) và electron được sinh ra khi chất khí bị ion hóa. Các hạt ion dương (+) sẽ chuyển động cùng chiều điện trường. Ngược lại, các hạt ion âm (-) sẽ chuyển động ngược chiều điện trường.

Bản chất của dòng điện trong chất khí
Bản chất của dòng điện trong chất khí

Các hạt mang điện sẽ trao đổi điện tích với nhau hoặc trao đổi với điện cực khi không còn tác nhân ion hóa. Khi đó, các phân tử khí sẽ bị trung hòa và không còn khả năng dẫn điện.

Điều kiện để có quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí

Như đã tìm hiểu trong phần trên, quá trình phóng điện tự lực trong chất khí là quá trình phóng điện vẫn tiếp tục xảy ra dù không có sự tác động của các tác nhân ion hóa từ bên ngoài. Hiểu theo cách khác, đây là quá trình dẫn điện của chất khí có khả năng tự duy trì mà chúng ta không cần tạo ra các hạt tải điện.

Một số cách để dòng điện sinh ra các hạt mang điện tích (hạt tải điện) mới trong chất khí gồm:

  • Dòng điện đi qua chất khí làm cho nhiệt độ của khí tăng lên mức cao. Điều này sẽ khiến các phân tử khí bị ion hoá.
  • Tạo ra một điện trường rất lớn trong chất khí, làm cho các phân tử khí bị ion hoá trong cả khi nhiệt độ thấp.
Tìm hiểu 4 điều kiện dẫn đến quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí
Tìm hiểu 4 điều kiện dẫn đến quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí
  • Catot có thể tạo ra các electron khi bị dòng điện nung nóng đỏ. Hiện tượng này còn được gọi bằng tên khác là hiện tượng phát xạ nhiệt electron.
  • Catôt không bị nung nóng đỏ nhưng bị các ion (+) có năng lượng lớn đập vào. Khi đó, các electron sẽ bị bật ra khỏi catot rồi trở thành hạt tải điện.

Ứng dụng của dòng điện trong chất khí

Việc tạo ra dòng điện trong chất khí là một thành công lớn trong ngành khoa học. Dòng điện này có những ứng dụng là:

Ứng dụng của dòng điện trong chất khí nhằm tạo ra tia lửa điện 

Tia lửa điện chính là sự phóng điện tự lực trong chất khí giữa 2 điện cực khi có điện trường đủ mạnh. Quá trình đó sẽ khiến các phân tử khí trung hòa thành hạt bị ion hóa (hay còn gọi là hạt mang điện). Cụ thể hơn, các phân tử khí trung hòa sẽ thành electron tự do và ion dương (+).

Tia lửa điện là một ứng dụng của dòng điện trong chất khí
Tia lửa điện là một ứng dụng của dòng điện trong chất khí

Điều kiện để có tia lửa điện là điện trường áp vào phải vượt quá cường độ đánh thủng điện môi trong môi trường ngăn chặn. Cường độ đánh thủng của không khí có vào khoảng 3.106 V/m tại mực nước biển. Bên cạnh đó, để tạo ra tia lửa điện còn phải có một môi trường cách điện. Đồng thời giữa hai điện cực cũng phải  tồn tại điện tích tự do.

Tia lửa điện được ứng dụng nhiều trong động cơ xăng trong việc đốt xilanh. Cụ thể là đốt hỗn hợp không khí và xăng trong động cơ. Trong các động cơ đó thì bugi là bộ phận có nhiệm vụ tạo ra tia lửa điện. Bugi gồm có 2 điện cực đặt sát nhau trên một khối sứ cách điện.

Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong công nghệ gia công. Phương pháp gia công này là dùng các tia lửa điện phóng lên trên bề mặt cần gia công. Tác động của các tia đó sẽ làm bề mặt gia công nóng chảy hoặc bốc hơi. Quá trình này được gọi là quá trình điện nhiệt. Không chỉ vậy, tia lửa điện còn được dùng để giải thích hiện tượng sét trong tự nhiên.

Ứng dụng dòng điện có trong chất khí để tạo ra hồ quang điện

Hồ quang điện mang lại nhiều tác dụng trong công nghiệp
Hồ quang điện mang lại nhiều tác dụng trong công nghiệp

Hồ quang điện cũng là một khái niệm về quá trình phóng điện tự lực trong chất khí. Tuy nhiên, quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất thấp hoặc áp suất thường. Hồ quang điện tồn tại giữa hai điện cực có mức hiệu điện thế không quá lớn.

Điều kiện để tạo ra quá trình hồ quang điện là dòng điện đi qua chất khí giữ được nhiệt độ cao của catot. Nhờ đó, catốt sẽ phát ra electron thông qua hiện tượng phát xạ nhiệt electron. Đồng thời, giữa 2 điện cực cần có một điện trường đủ mạnh để có thể ion hóa không khí.

Hồ quang điện mang lại nhiều lợi ích và được ứng dụng trong quá trình luyện thép. Lúc này, bạn cần phải duy trì cho dòng hồ quang có khả năng cháy ổn định. Ngoài ra, hồ quang điện còn được sử dụng làm đèn chiếu sáng, nấu chảy vật liệu, hàn điện,…

Lời giải bài tập SGK Vật lý 11 (trang 93)

Bài 1 SGK Vật Lý 11 (trang 93)

Mô tả thí nghiệm nhận biết và đo dòng điện qua chất khí, cách đưa hạt tải điện vào trong chất khí.

Lời giải:

– Lắp mạch điện theo sơ đồ (hình dưới) gồm:

  • A, B là hai bản cực kim loại.
  • ξ là nguồn điện có suất điện động khoảng vài chục vôn
  • G là điện kế nhạy.
  • V là vôn kế.
  • D là ngọn đèn ga để làm nóng không khí giữa hai bản cực.

– Tiến hành thí nghiệm: Chỉnh con chạy trên biến trở R để vôn kế chỉ một giá trị nào đó và quan sát giá trị của điện kế G.

Sơ đồ mạch đo trực tiếp dòng điện qua chất khí bằng điện kế
Sơ đồ mạch đo trực tiếp dòng điện qua chất khí bằng điện kế

– Kết quả:

  • Khi không đốt đèn ga thì kim điện kế hầu như đều có giá trị 0.
  • Khi đốt đèn ga thì kim điện kế bị lệch khỏi giá trị 0.
  • Đặt đèn ga ra xa và dùng quạt thổi khí nóng vào giữa 2 bản cực thì kim điện kế vẫn bị lệch.
  • Khi tắt đèn thì kim điện kế quay về giá trị 0.
  • Sử dụng đèn thủy ngân thay cho đèn ga thì kết quả tương tự như trên.

– Kết luận: Chất khí hầu như không dẫn điện trong điều kiện thường. Trong thí nghiệm trên, ngọn lửa của ga và bức xạ của đèn thủy ngân đã làm tăng các hạt tải điện trong không khí nên nó có khả năng dẫn điện.

Bài 2 SGK Vật Lý 11 (trang 93)

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

Lời giải:

Hiện tượng nhân hạt tải điện xảy ra trong quá trình phóng điện qua chất khí diễn ra như sau:

– Electron và ion dương (+) là những hạt tải điện đầu tiên có trong chất khí. Chúng do tác nhân ion hóa sinh ra. Kích thước của electron nhỏ hơn ion dương nên có thể đi được quãng đường dài hơn ion (+) trước khi va chạm với phân tử khí nào đó.

– Năng lượng mà electron nhận được từ điện trường ngoài trong khi bay tự do lớn hơn 5 – 6 lần năng lượng mà ion nhận được.

– Khi điện trường đủ lớn, động năng của các electron cũng đủ lớn để khi va chạm với phân tử trung hòa thì sẽ ion hóa nó thành ion dương và electron tự do.

– Quá trình trên diễn ra giống kiểu thác lũ khiến mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho tới khi electron đến anot.

– Khi đó, chất khí có khả năng dẫn điện tốt hơn. Dòng điện chạy qua chất khí tăng nhưng phải phụ thuộc vào số hạt tải điện mà tác nhân ion hóa sinh ra trong chất khí.

Mong rằng, các kiến thức trong bài viết sẽ giúp các bạn đọc hiểu rõ về bản chất dòng điện trong chất khí. Đồng thời hiểu hơn về những ứng dụng của nó trong đời sống. Hãy thường xuyên ghé thăm thosuaxe.info để cập nhật kiến thức về vật lý bạn nhé!

Xem thêm:

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *