Lý thuyết Dòng điện trong chất khí và các bài tập vận dụng

1. Chất khí là gì?

Chất khí là một môi trường cách điện, có nghĩa là không dẫn điện bởi vì các phân tử khí đều ở trạng thái trung hòa điện. Điều này có nghĩa là trong chất khí không có các hạt tải điện. Tuy nhiên, nếu ta đốt nóng chất khí bằng ngọn đèn ga hoặc chiếu chùm bức xạ tử ngoại, chất khí sẽ xuất hiện các hạt tải điện. Khi đó, chất khí có khả năng dẫn điện.

2. Điều kiện dẫn điện của chất khí:

Thông thường, trong chất khí cũng có một số ít các hạt tải điện, tuy nhiên số lượng này rất nhỏ. Khi ta sử dụng ngọn đèn ga để đốt nóng chất khí hoặc chiếu vào chất khí chùm bức xạ tử ngoại, số lượng hạt tải điện sẽ tăng lên. Khi đó, chất khí sẽ có khả năng dẫn điện. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng độ dẫn điện của chất khí sẽ phụ thuộc vào số lượng hạt tải điện có mặt trong chất khí.

Tính chất của chất khí

Chất khí là một trong những loại chất lỏng hay khí được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống. Chúng ta có thể thấy chất khí tại các ứng dụng như khí đốt, khí hóa lỏng, khí tạo ra trong quá trình đun nấu hay các loại khí trong môi trường sản xuất. Chất khí có tính chất đặc biệt khiến nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp.

Ứng dụng của chất khí

Chất khí được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày. Chúng ta sử dụng chất khí trong các thiết bị gia dụng như bếp ga, lò vi sóng, máy sưởi, điều hòa khí và thiết bị sản xuất khác. Chất khí cũng được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như sản xuất khí đốt, sản xuất hóa chất và thực phẩm. Chất khí cũng được sử dụng trong y tế như là khí cứu thương để điều trị bệnh nhân.

Các loại chất khí

Có nhiều loại chất khí khác nhau được sử dụng trong cuộc sống và ứng dụng công nghiệp. Một số ví dụ bao gồm khí đốt tự nhiên, khí hydro, khí nitơ, khí oxy, khí heli và khí carbonic.

3. Bản chất dòng điện trong chất khí:

a) Sự ion hóa chất khí và tác nhân ion hóa

Sự ion hóa là quá trình mà một phân tử hay nguyên tử sẽ mất hoặc nhận điện tử để trở thành một ion dương hay ion âm. Khi một chất khí bị tác động bởi một tác nhân ion hóa như ngọn lửa ga, tia tử ngoại của đèn thủy ngân trong thí nghiệm, các phân tử khí của chất khí sẽ bị ion hóa thành các ion dương, ion âm và các electron tự do.

Dòng điện chính là dòng chuyển động có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường. Khi không còn tác nhân ion hóa, các ion dương, ion âm và các electron trao đổi điện tích với nhau hoặc với điện cực để trở thành các phân tử khí trung hòa. Do đó, chất khí sẽ trở thành không dẫn điện.

b) Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

Quá trình dẫn điện của chất khí nhờ có tác nhân ion hóa được gọi là quá trình dẫn điện không tự lực. Quá trình này chỉ tồn tại khi ta tạo ra hạt tải điện trong khối khí giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng việc tạo ra hạt tải điện. Điều này làm cho quá trình dẫn điện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.

Quá trình dẫn điện không tự lực trong chất khí có nhiều ứng dụng thực tế, chẳng hạn như trong các thiết bị điện tử như bóng đèn huỳnh quang hoặc màn hình Plasma. Ngoài ra, các nghiên cứu gần đây cũng cho thấy rằng quá trình dẫn điện không tự lực có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng điện từ các nguồn năng lượng môi trường như sóng biển hoặc gió.

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của I theo U trong quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

c) Hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất khí trong quá trình dẫn điện không tự lực

Khi dòng điện chạy qua chất khí, nó gây ra hiện tượng tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng nhân số hạt tải điện và đó là một trong những yếu tố quan trọng của quá trình dẫn điện không tự lực.

Hiện tượng nhân số hạt tải điện có thể được áp dụng trong việc sản xuất các thiết bị điện tử như transistor và bóng đèn huỳnh quang. Nó cũng có thể được sử dụng để tạo ra các hiệu ứng ánh sáng và âm thanh trong các thiết bị điện tử. Ngoài ra, hiện tượng này còn được áp dụng trong các ứng dụng y tế như điều trị các bệnh về da, viêm khớp và đau lưng.

Với những ứng dụng sáng tạo như vậy, quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí đang được nghiên cứu và phát triển bởi các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới. Việc tìm ra những cách áp dụng quá trình này trong các lĩnh vực khác nhau sẽ giúp chúng ta khai thác tối đa các nguồn năng lượng môi trường và tạo ra những thiết bị điện tử tiên tiến hơn.

4. 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 tự lực là một quá trình tự động duy trì dòng điện trong chất khí mà không cần phải tạo ra hạt tải điện. Tuy nhiên, để tạo ra những hạt tải điện mới trong chất khí, có bốn cách chính được áp dụng.

Dòng điện chạy qua chất khí có thể làm tăng nhiệt độ của khí, gây ra hiện tượng ion hóa phân tử khí. Khi nhiệt độ tăng lên, phân tử khí có đủ năng lượng để mất đi các electron bên ngoài lớp vỏ ngoài cùng của chúng, và trở thành các ion. Những ion này có khả năng trở thành hạt tải điện mới trong chất khí.

Điện trường trong chất khí có thể rất lớn, đủ để kích thích hiện tượng ion hóa ngay cả khi chưa có tác động của nhiệt độ. Khi có sự xuất hiện của điện trường trong chất khí, năng lượng của các phân tử khí sẽ tăng lên và có thể mất đi các electron bên ngoài lớp vỏ ngoài cùng của chúng. Những ion này cũng có khả năng trở thành hạt tải điện mới trong chất khí.

Catot bị dòng điện nung nóng đến mức đỏ rực, khiến cho nó có khả năng phát ra electron. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt electron. Khi catot được nung nóng đến mức độ cần thiết, các electron trong catot sẽ có đủ năng lượng để bật ra khỏi bề mặt của nó và trở thành hạt tải điện mới trong chất khí.

Catot không được nung nóng đến mức đỏ rực, nhưng vẫn bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào, khiến cho electron bị bật ra khỏi catot và trở thành hạt tải điện mới. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phát xạ ion.

Như vậy, quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí còn phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, điện trường và tính chất của catot để tạo ra những hạt tải điện mới trong chất khí. Hiểu rõ hơn về quá trình này sẽ giúp cho chúng ta có thể ứng dụng và điều khiển các hệ thống điện tử và điện lực hiệu quả hơn.

5. Dòng điện trong chất khí và các bài tập vận dụng:

Câu 1. Dòng điện trong chất khí là dòng dịch chuyển có hướng của các

A. electron theo chiều điện trường

B. ion dương theo chiều điện trường và ion âm ngược chiều điện trường

C. ion dương theo chiều điện trường, ion âm và electron ngược chiều điện trường

D. ion dương ngược chiều điện trường, ion âm và electron theo chiều điện trường

Lời giải:

Chọn C.

Dòng điện trong chất khí là một hiện tượng quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến khoa học, và đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường. Hiểu rõ cơ chế hoạt động của dòng điện trong chất khí có thể cung cấp cho chúng ta những kiến thức rất hữu ích.

Dòng điện trong chất khí xảy ra khi các hạt điện tích di chuyển trong một chất khí dưới tác dụng của điện trường. Các hạt này bao gồm các ion dương, các ion âm và electron. Điện trường có thể được tạo ra bằng nhiều cách, bao gồm sử dụng các điện cực, các trường điện từ và các trường điện tự nhiên.

Câu 2. Trong các phát biểu sau, phát biểu nào sai ?

A. Ở điều kiện bình thường không khí là điện môi

B. Khi bị đốt nóng không khí dẫn điện

C. Những tác nhân bên ngoài gây nên sự ion hóa chất khí gọi là tác nhân ion hóa

D. Dòng điện trong chất khí tuân theo định luật Ôm

Lời giải:

Chọn D.

Dòng điện trong chất khí không tuân theo định luật Ôm.

Câu 3. Khi nói về sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế, nhận xét nào sau đây là sai ?

A. Khi tăng dần hiệu điện thế từ giá trị 0 đến Uc sự phóng điện chỉ xảy ra khi có tác nhân ion hóa, đó là sự phóng điện không tự lực

B. Khi Uc ≥ U ≥ Ub , cường độ dòng điện đạt giá trị bão hòa dù U có tăng

C. Khi U > Uc thì cường độ dòng điện giảm đột ngột

D. Đường đặc tuyến vôn – ampe không phải là đường thẳng

Lời giải:

Chọn C.

Khi U > Uc, cường độ dòng điện tăng nhanh.

Câu 4. Trong các phát biểu sau, phát biểu nào sai ?

A. Trong quá trình phóng điện thành tia chỉ có sự ion hóa do va chạm

B. Sự phóng điện trong chất khí thường kèm theo sự phát sáng

C. Trong không khí tia lửa điện hình thành khi có điện trường rất mạnh cỡ 3.106 V/m

D. Hình ảnh tia lửa điện không liên tục mà gián đoạn

Lời giải:

Chọn A.

Trong quá trình phòng điện thành tia, các phân tử khí bị ion hóa nhờ va chạm với các electron được tăng cường bởi điện trường mạnh. Đồng thời, sự ion hóa cũng xảy ra do tác dụng của bức xạ phát ra trong tia lửa điện, làm cho các phân tử khí phát ra các electron và ion. Nhờ đó, tia lửa điện trở nên sáng hơn và có thể quan sát được từ xa.

Câu 5. Khi nói về sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào hiệu điện thế trong quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí, điều nào dưới đây là sai ?

A. Khi U nhỏ, I tăng theo U

B. Khi U đủ lớn, I đạt giá trị bão hòa

C. U quá lớn, thì I tăng nhanh theo U

D. Với mọi giá trị của U, thì I tăng tỉ lệ thuận

Lời giải:

Chọn D.

Trong quá trình dẫn điện của chất khí, đặc tính của đặc tuyến vôn – ampe không phải là đường thẳng, do đó, điện áp (U) và dòng điện (I) không tỉ lệ thuận trực tiếp với nhau. Điều này có nghĩa là khi dòng điện tăng lên, điện áp sẽ không tăng lên theo cùng một tỷ lệ, và ngược lại, khi điện áp tăng lên, dòng điện cũng sẽ không tăng theo cùng một tỷ lệ. Điều này là do các yếu tố như điện trở chất khí, tốc độ di chuyển của các hạt trong chất khí và các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình dẫn điện của chất khí.

Câu 6. Chọn một đáp án sai

A. Sự dẫn điện của chất khí là tự lực nếu nó có thể xảy ra và duy trì khi đốt nóng mạnh chất khí, và duy trì tác nhân

B. Sự dẫn điện của chất khí là tự lực nếu nó có thể xảy ra và duy trì khi đốt nóng mạnh chất khí, rồi ngừng tác nhân

C. chất khí phóng điện tự lực khi có tác dụng của điện trường đủ mạnh ion hóa khí, tách phân tử khí thành ion dương và electron tự do

D. Trong quá trình phóng điện thành tia, ngoài sự ion hóa do va chạm còn có sự ion hóa do tác dụng của bức xạ có trong tia lửa điện

Lời giải:

Chọn A.

Sự dẫn điện của chất khí là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực vật lý. Điện khí học chỉ ra rằng tại một điểm nào đó trong chất khí, sự dẫn điện sẽ tự xảy ra và duy trì khi đốt nóng mạnh chất khí, rồi ngừng tác nhân. Điều này có nghĩa là nếu bạn đốt nóng chất khí đến một mức độ nhất định, sẽ có một điểm trong chất khí mà sự dẫn điện sẽ tự xảy ra và được giữ nguyên ngay cả khi bạn ngừng tác nhân. Điện khí học là một lĩnh vực rất phức tạp và đòi hỏi sự hiểu biết sâu rộng về cấu trúc phân tử của chất khí và cách chúng tương tác với nhau, nhưng nó rất quan trọng trong việc hiểu về các hiện tượng điện trong tự nhiên và ứng dụng của chúng trong công nghiệp và kỹ thuật.

Câu 7. Khi nói về dòng điện trong chất khí, phát biểu nào dưới đây đúng ?

A. Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương và âm

B. Dòng điện trong chất khí không phụ thuộc vào hiệu điện thế

C. Cường độ dòng điện trong chất khí ở áp suất thường tăng lên khi hiệu điện thế tăng

D. Dòng điện chạy qua không khí ở hiệu điện thế thấp khi không khí được đốt nóng, hoặc chịu tác dụng của tác nhân ion hóa

Lời giải:

Chọn D.

Dòng điện là sự chuyển động của các hạt điện tích qua một vùng không gian. Trong trường hợp này, dòng điện được tạo ra bởi sự di chuyển của các hạt điện tích qua không khí. Điện tích này có thể được tạo ra bởi nhiệt độ cao khi không khí được đốt nóng, hoặc bởi tác động của các tác nhân ion hóa. Các tác nhân này có thể là các tia X, tia gamma, hoặc các hạt mang điện tích như ion. Sự tạo ra dòng điện này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ đo lường điện trở đến sản xuất điện tử.

Câu 8. Hiện tượng nào sau đây có sự phát xạ nhiệt electron ?

A. Tia lửa điện

B. Sét

C. Hồ quang điện

D. Hồ quang điện và sét

Lời giải:

Chọn C.

Hiện tượng hồ quang điện có sự phát xạ nhiệt electron.

Câu 9. Sự phóng điện thành miền của chất khí xảy ra trong các điều kiện nào ?

A. Áp suất cao cỡ chục atm; hiệu điện thế thấp cỡ chục vôn

B. Áp suất ở đktc, hiệu điện thế cao cỡ kilôvôn

C. Áp suất thấp dưới 1 mmHg, hiệu điện thế cỡ trăm vôn

D. Áp suất cao cỡ hàng chục atm; hiệu điện thế cao cỡ kilôvôn

Lời giải:

Chọn C.

Câu 10. Sự phóng điện thành miền, nếu giảm áp suất rất thấp cỡ 10-3 mmHg thì có hiện tượng gì?

A. Miền tối catốt giảm bớt

B. Cột sáng anốt chiếm toàn bộ ống khí

C. Miền tối catốt chiếm toàn bộ ống khí

D. Cột sáng anốt giảm bớt

Lời giải:

Chọn C.

Trong quá trình phóng điện xuyên qua không khí, nếu áp suất trong ống khí giảm xuống rất thấp, thì phần không khí ở gần điện cực sẽ bị ion hóa và tạo thành một vùng tối catốt, chiếm toàn bộ bề mặt trong của ống khí.