SGK Vật Lí 11 - Bài 15. Dòng điện trong chất khí
Dòng điện trong chất khí Ngày nay, để tiết kiệm năng lượng điện dùng đế thắp sáng, người ta khuyên không nên dùng đèn có dây tóc nóng đỏ. Trong gia đình nên dùng đèn ống, ngoài đường phố thì dùng đèn thuý ngân và đèn natri (đèn vàng). Các loại đèn này hoạt động theo nguyên lí nào mà lại tiết kiệm điện ? KI Nếu không khí dẫn điện thì: Mạng điện trong gia đình có an toàn không ■? Ô tô, xe máy có chạy được không ? Các nhà máy điện sẽ ra sao ? Hình 15.1 Góc giũa hai lá kim loại của điện nghiệm giảm dán theo thời gian, chứng tỏ điện tích trữ trong điện nghiệm mất dán. - CHẤT KHÍ LÀ MÔI TRƯỜNG CÁCH ĐIỆN Thực tế đời sống cho thấy không khí nói riêng (hay chất khí nói chung) không dẫn điện. Vì thế, trên các đường dây tải điện, người ta chỉ dùng các cọc sứ để ngăn không cho điện truyền từ dây dẫn điện vào cột điện, mà không cần làm gì để ngăn điện truyền từ dây này sang dây khác qua không khí. Các công tắc điện trong gia đình, khi cắt điện người ta cũng chỉ cần tạo ra một khe không khí rộng khoảng vài milimét giữa hai tiếp điểm là đủ. K 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. - Sự DẪN ĐIỆN CỦA CHẤT KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN THỬỜNG Thực ra, chất khí không phải tuyệt đối không dẫn điện. Tích điện vào một cái điện nghiệm, ta thấy hai lá kim loại của cái điện nghiệm xoè ra. Theo dõi góc của hai lá kim loại theo thời gian, ta thấy nó giảm dần, chứng tỏ điện tích trữ trong điện nghiệm mất dần (Hình 15.1). Một trong các nguyên nhân làm suy giảm điện tích của điện nghiệm là điện đã truyền qua không khí ở điều kiện thường đến các vật khác. Để có thể kết luận một cách chính xác hơn, người ta có thể dùng một điện kế rất nhạy để đo trực tiếp dòng điện qua chất khí. Hình 15.2 vẽ sơ đồ thí nghiệm để phát hiện và đo dòng điện qua chất khí. 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, Đ là ngọn đèn ga (đặt giữa hai bản cực). Chỉnh con chạy của biến trở R để cho vôn kế V chỉ một giá trị nào đấy và quan sát điện kế G, ta thấy : Khi không đốt đèn ga, kim điện kế hầu như chỉ số 0. Vậy bình thường chất khí hầu như không dẫn điện, trong chất khí có sẵn rất ít hạt tải điện. Đốt đèn ga, kim điện kê' lệch đáng kể khỏi vị trí số 0. Kéo đèn ga ra xa, dùng quạt thổi khí nóng đi qua giữa hai bản cực, kim điện kế vẫn lệch. Tắt đèn, chất khí lại hầu như không dẫn điện. Thay đèn ga bằng đèn thuỷ ngân (tia tử ngoại) và làm thí nghiệm tương tự như trước, ta cũng thấy những kết quả tương tự. K A B Đ Hình 15.2 Mạch đo trực tiếp dòng điện qua chất khi bằng điện kế nhạy Vì sao ngay từ lúc chưa đốt đèn ga hoặc chiếu đèn thuỷ ngân, chất khí cũng dẫn điện ít nhiều ? Từ đó, ta rút ra kết luận là ngọn lửa ga và bức xạ của đèn thuỷ ngân đã làm tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí. ĩ Ill - BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 1. Sự ion hoá chất khí và tác nhân ton 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 cồ năng lượng cao, chúng ion hoá chất khí, tách phân tử khí trung hoà thành ion dương và electron tự do. Electron tự do lại có thể kết hợp với phân tử khí trung hoà thành ion âm (Hình- 15.3). Các hạt tích điện này là hạt tải điện trong chất khí. o o o o o o o o ọ ° o o' o lon+ V o ° ° ° o b) Hình 15.3 Quá trinh ion hoá do tác nhãn ion hoá : Ban đầu chất khí gồm các phân tủ .trung hoà. Tia tù ngoại làm phân tủ biến thành ion+ và e”. e kết họp với phân tù trung hoà thàrih ion- o o o lon+ o . o • ‘ • o o °o Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, các electron ngược chiều điện trường. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hoá sinh ra. Khi mất tác nhân ion hoá, các ion dương, ion âm và electron trao đổi điện tích với nhau hoặc với điện cực để trở lại thành các phân tử khí trung hoà; nên chất khí trở thành không dẫn điện. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí Hình 15.4 Sự phụ thuộc của I theo u trong 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 biêh mất khi ta ngừng việc tạo ra hạt tải điện. Thay đổi hiệu điện thê' 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 đinh 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 Ư giữa hai điện cực, được vẽ trên Hình 15.4. Nó có ba đoạn rõ rệt: Đoạn Oa : u nhỏ, dòng điện tăng theo u. Trong quá trình dẫn điện không tự lực của khí, khi nào dòng điện đạt giá trị bão hoà ? Đoạn ab : u đủ lớn, dòng điện / đạt giá trị bão hoà. S3 Đoạn be : u quá lớn, I tăng nhanh khi u tăng. Điều đó chứng tỏ, khi hiệu điện thế đã quá lớn, sự tăng hiệu điện thê' làm cho điện trở của chất khí giảm, mật độ hạt tải điện tăng. 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 nhãn số hạt tải điện. Nó diễn ra như sau : Những hạt tải điện đầu tiên có trong chất khí là các electron và ion dương do tác nhân ion hoá sinh ra. ũ 2 ■It -II JJL -»©ị««©-©--«•©«---3 Hình 15.5 Quá trình nhân số hạt tải điện theo kiểu thác lũ (tuyết lở) BE Khi có quá trình nhân số hạt tải điện thì cường độ điện trường tại các điểm khác nhau ở giữa hai bản cực có giống nhau không ? Vì sao ? Electron kích thước nhỏ hơn ion dương, nên đi được quãng đường dài hơn ion dương trước khi va chạm với một phân tử khí. Năng lượng mà electron nhận được từ điện trường ngoài Ễ trong quãng đường bay tự do lớn hơn năng lượng mà ion nhận được khoảng 5 4-6 lần. Khi điện trường đủ lớn, động năng của electron cũng đủ lớn để khi va chạm với phân tử trung hoà thì ion hoá nó, biến nó thành electron tự do và ion dương. Quá trình diễn ra theo kiểu thác lũ (“tuyết lở”) như đã vẽ trên Hình 15.5 làm mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho tới khi electron đến anôt. Chất khí trở nên dẫn điện tốt hơn, và dòng điện chạy qua chất khí tăng. Vì một electron ban đầu chỉ sinh ra được một số hữu hạn hạt tải điện trên đường đi đến điện cực, nên tuy dòng điện có tăng nhưng nó vẫn phụ thuộc vào số hạt tải điện mà tác nhân ion hoá từ bên ngoài dã sinh ra trong chất khí. HI IV - QUÁ TRÌNH DẪN ĐIỆN Tự Lực TRONG CHẤT KHÍ VÀ ĐIỂU KIỆN ĐỂ TẠỎ RA QUÁ TRÌNH DẪN ĐIỆN Tự Lực Quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì, không cẩn 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 vằ biến mất. Số hạt tải điện sinh ra ban đầu có thể không nhiều nhưng nhờ quá trình nhân số hạt tải điện đã nói ở trên mà mật độ hạt tải điện tăng mạnh, khiến môi trường trở nên dẫn điện tốt. 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. Sự hình thành tia lửa điện diễn ra như sau : Giả sử giữa hai điện cực A và B có hiệu điện thê' u đủ lớn, và điện cực A có một mũi nhọn (Hình 15.6). Điện trường mạnh nhất ở gần các mũi nhọn, vì thế chất khí ở đấy dễ bị ion hoá nhất (Hình 15.6a). Nơi chất khí bị ion hoá trở thành môi trường dẫn điện tốt. Mũi nhọn tựa như được kéo dài đến hết miền này. Nơi chất khí chưa bị ion hoá vẫn còn là môi trường cách điện, nén hiệu điện thế u tập trung ở miền ấy (Hình 15.6b). Điện trường ở nơi xung yếu nhất trong miền này sẽ tăng vượt giá trị ngưỡng và quá trình phóng điện xảy ra, tạo nên tia lửa điện (Hình 15.6c). Nếu tia lửa điện hình thành trong không khí, các nguyên tử ôxi có thê kết hợp với nhau thành ôzôn (O3), nguyên tử nitơ và ôxi kết hợp với nhau thành nitơ ôxit. Các hợp chất này tạo ra mùi khét rất đặc trưng mà trong dân gian hay gọi là “mùi điện”. Catôt 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. Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào, làm bật electron 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. Hai kiểu phóng điện tự lực thường gặp nhất là tia lửa điện và hồ quang điện. - TIA LỬA ĐIỆN VÀ ĐIỂU KIỆN TẠO RA TIA LỬA ĐIỆN 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 életron tự do. Điều kiện tạo ra tia lửa điện Hình 15.6 Quá trinh hình thành tía lửa điện : Thoạt đáu, khí ở gẩn mũi nhọn bị ion hoá. Vùng khi bị ion hoá lan rộng ra. Tia lửa điện xuất hiện. Hiệu điện thế Ư (V) Khoảng cách đánh tia điện Cục phẳng (mm) Mũi nhọn (mm) 20 000 6,1 15,5 40 000 13,7 45,5 100 000 36.7 220 200 000 75.3 410 300 000 114 600 Bảng 15.1 Tia lửa điện có thê hình thành trong không khí ở điều kiện thường, khi điện trường đạt đến giá trị ngưỡng vào khoảng 3.1 o6 v/m. Hiệu điện thế đủ để phát sinh tia lửa điện trong không khí giữa hai điện cực dạng khác nhau, ở các khoảng cách khác nhau được ghi trên Bảng 15.1. Cấu tạo của bugi dùng trong động cơ nổ (ô tô, xe máy) EEvì sao khi đi đường gặp mưa giông, sấm sét dữ dội ta không nên đứng trên những gò đất cao hoặc trú dưới gốc cây mà nên nằm dán người xuống đất ? Hình 15.8 Hồ quang điện 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. Bộ phận để tạo ra tia lửa điện là bugi (Hình 15.7), thực chất đó chỉ là hai điện cực đặt cách nhau vào cỡ vài phần mười milimét trên một khối sứ cách điện. Khi có cơn giông, các đám mây gần mặt đất thường tích điện âm và mặt đất tích điện dương. Giữa đám mây và mặt đất có hiệu điện thế lớn. Những chỗ nhô cao trên mặt đất giống như những mũi nhọn là nơi có điện trường mạnh nhất. Sét là tia lửa điện hình thành giữa đám mây mưa và mặt đất nên thường đánh vào các mô đất cao, ngọn cây... KĨ5 - HÕ QUANG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KIỆN TẠO RA HỒ QUANG ĐIỆN 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. Hồ quang điện có thể kèm theo toả nhiệt và toả sáng rất mạnh. 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 electron bằng sự phát xạ nhiệt electron. 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 thê' giữa hai điện cực đến giá trị không lớn. Nó tạo ra một cung sáng chói như ngọn lửa nối hai điện cực, mà ta gọi là hồ quang điện (Hình 15.8). Đèn ống dùng trong gia đình, đèn thuỷ ngân, đèn natri (đèn vàng) dùng trong chiếu sáng công cộng cũng là hồ quang điện sinh ra trong một khối hơi thuỷ ngân hoặc natri ở áp suất thấp chứa trong một bóng kín. Hồ quang điện cũng có thế ngẫu nhiên xảy ra trên các mạng điện cũ nát hoặc lắp đặt không đúng kĩ thuật: Nếu hai dây điện không may chạm nhau, khi chúng rời nhau sẽ tạo ra hồ quang diện và đấy chính là nguyên nhân gây ra nhiều vụ hoả hoạn tại các đô thị. Trong hồ quang điện, dòng điện chạy qua chất khí chủ yếu là dòng electron đi từ catôt đến anôt, nhưng cũng có một phần là dòng ion dương đi từ anôt đến catôt. Khi các ion dương đập vào catôt, chúng truyền cho cực này năng lượng mà chúng đã nhận từ nguồn điện, làm cho catôt duy trì được trạng thái nóng đỏ và có khả năng phát ra các electron (hiện tượng phát xạ nhiệt electron). Các electron phát ra với số lượng lớn, đi ngược chiều điện trường đến anôt, truyền cho anôt năng lượng đã nhận từ nguồn điện làm nó nóng lên, nhiệt độ có thể tới trên 3 500°C. Nhiệt độ này cũng làm cho hầu hết các vật liệu bị nóng chảy, và thậm chí bay hơi, nên anôt thường bị lõm xuống. Chất khí trong vùng hồ quang điện ở nhiệt độ rất cao, do đó cũng bị ion hoá và dẫn điện tốt, khiến điện trở của chất khí trong hồ quang điện rất nhỏ. ứng dụng Hồ quang điện có nhiều ứng dụng như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu,... Máy hàn điện là một nguồn điện có điện áp khoảng vài chục vôn, điện trở trong rất nhỏ để có thể sinh được dòng điện rất lớn. hàng trăm ampe. Một cực của nguồn điện nối vào vật cần hàn, cực kia nối với que hàn (Hình 15.9). Khi hàn, thoạt đầu người thợ chạm que hàn vào vật cần hàn. Mạch điện bị nối tắt, điểm tiếp xúc bị đốt nóng đỏ. Sau đó, người ta nhấc que hàn lên một chút. Khi que hàn vừa rời khỏi vật cần hàn, dòng điện bị ngắt đột ngột, suất điện động tự cảm (sẽ học trong phần Điện từ học) rất lớn, tạo ra tia lửa điện mồi hồ quang điện và hồ quang điện phát sinh. Chất khí vốn không dẫn điện. Chất khí chỉ dẫn điện khi có hạt tải điện (electron, ion) do tác nhân ion hoá sinh ra. Dòng điện trong chất khí là dòng chuyên dời cỏ hướng của electron và các ion trong điện trường. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí xảy ra khi ta phải dùng tác nhân ion hoá từ bên ngoài để tạo ra hạt tải điện trong chất khí. Khi dung nguồn điện áp lớn để tạo ra sự phóng điện qua chất khí, ta thấy có hiện tượng nhân số hạt tải điện. Quá trình phóng điện tự lực trong chất khí là quá trình phóng điện vẫn tiếp tục giữ được khi không còn tác nhân ion hoá tác động từ bên ngoài. Tia lửa điện là quá trình phóng điên tự lực hình thành trong chất khí khi có điện 'trường đủ mạnh để làm ion hoá chất khí. Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành khi dòng điện'qua chất khí có thể giữ được nhiệt độ cao của catôt để nó phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt electron. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Mô tả thí nghiệm phắt hiện, đo dòng điện qua chất khí và cách tạo ra. hạt tải điện trong chất khí. Trình bày hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí. Trình bày nguyên nhân gây ra hồ quang điện và tia lửa điện. * I Vì sao dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng electron chạy từ catôt đến anôt ? Trình bày thao tác hàn điện và giải thích vì sao phải làm thế. ở bài tập 6 và 7 dưới đây, phát biểu nào là chính xác ? Dòng điện trong chất khí chỉ có thể là dòng chuyển dời có hướng của các electron mà ta đua vào trong chất khí. các ion mà ta đua từ bên ngoài vào trong chất khí. c. các electron và ion mà ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí. D. các electron và ion được tạo ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí. Hổ quang điện là quá trình phóng điện tụ lực của chất khí, hình thành do phân tử khí bị điện trường mạnh làm ion hoá. catôt 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 hoá. Từ Bảng 15.1, các em hãy ước tính : Hiệu điện thế đã sinh ra tia sét giữa đám mây cao 200 m và một ngọn cây cao 10 m. Hiệu điện thế tối thiểu giữa hai cục của bugi xe máy khi xe chạy bình thuòng. Đứng cách xa đuòng dây điện 120 kV bao nhiêu thì bắt đáu có nguy co bị điện giật, mặc dù ta không chạm vào dây điện. 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 bay tự do đủ để ion hoá chất khí, hãy tính xem một electron đua vào trong chất khí có thể sinh ra tối đa bao nhiêu hạt tải điện. • Em có biết ? NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CÚA ĐÈN 'ÔNG Đèn ống (còn gọi là đèn huỳnh quang) là loại đèn thường dùng để thắp sáng trong nhà. Nó được cấu tạo bới một ống thuý tinh dài khoảng 0,6 m -ỉ- 1,2 m, bên trong chứa hơi thuý ngân và một loại khí trơ ớ áp suất thấp. Thành trong cúa ống thuỷ tinh phủ một lóp bột huỳnh quang có màu trắng, khi bị tia tử ngoại rọi vào thì phát ra ánh sáng trắng. Hai đầu đèn là hai sợi dây tóc bằng vonfam, có phú một loại ôxit đặc biệt để tăng khá năng phát xạ nhiệt electron. Vì dây tóc rất mánh, nên chí cần cung cấp cho nó một năng lượng không lớn cũng đú lầm nó nóng đỏ. Mạch mắc đèn ống được vẽ trên Hình 15.10. Chấn lưu là một cuộn dây có độ tự cảm lớn, nó tạo ra một hiệu điện thế cao đế mồi đèn và đế hạn chế dòng diện. Đế mồi đèn người ta dùng một đèn khới động, thường gọi là “stăcte”. Stăcte hoạt động như một công tắc điện tự động K-y-Ị: Khi có điện, thoạt đầu công tắc Kyy nối tắt. Khoảng vài giây sau, công tắc /<TT sẽ hớ mạch. Khi bật đèn, công tắc /<TT đóng, dòng điện chạy qua hai dây tóc mắc nối tiếp, làm chúng nóng đó và phát electron. Khi công tắc /<TT trong stăcte ngắt điện, thì một dây tóc trở thành anôt, dây tóc kia thành catôt. Suất điện động tự cảm xuất hiện khi mạch điện bị ngắt, tạo ra tia lửa điện giữa anôt và catôt, mồi cho hồ quang điện phát sinh. Dòng điện của quá trình phóng điện hồ quang giữ cho hai dây tóc tiếp tục nóng đỏ. Chấn lưu trong mạch điện giữ cho dòng điện không tăng quá cao. Trong đèn ống, hơi thuỷ ngân bị ion hoá phát ra tia tứ ngoại rất mạnh. Lóp bột huỳnh quang (màu trắng) tráng bên trong ống, hấp thụ các tia này và phát ra ánh sáng trắng. Đèn ống rất sáng nhưng không nóng. Nó là loại đèn tiết kiệm năng lượng. Khi sứ dụng, đèn ống thường bị hóng do một trong hai nguyên nhân sau : Một trong hai dây tóc bị đứt : Khi đó, trong mạch không có dòng điện nung nóng dây tóc nên không thế tạo ra hồ quang điện. Ta có thể nối tắt hai chân dây tóc bị đứt, chí sử dụng một dây tóc còn tốt, đèn vẫn hoạt động được bình thường. Đèn dùng lâu ngày bị “già”, hai đầu ống xám đen : Đó là do lớp ôxit phú ngoài dây tóc đã bay hết, nên dù nóng đó nó cũng không phát ra đú electron đế tạo thành hồ quang điện. a) b) So đổ mạch mắc đèn õng : Khi-công lắc điện Kp- trong stăcte đóng, dảy tóc đèn nóng đò. Vài giây sau, Kyy mở, đèn bừng sáng. Hồ quang điện làm dây tóc tiếp tục nóng đỏ. Hình 15.10 Khi đèn bị già hoặc đứt cá hai dây tóc, ta có thế dùng một nguồn điện thế cao cho sự phóng điện qua đèn và đèn vẫn phát sáng. Quá trình phóng điện bây giờ không phái là hồ quang điện và không thể duy trì khi ta hạ hiệu điện thế cúa nguồn điện xuống cỡ hiệu điện thế của mạng điện thông thường.