Bài 15: Dòng điện trong chất khí

Ngày nay người ta thường dùng đèn ống, đèn thủy ngân để tiết kiệm năng lượng. Vậy các đèn này hoạt động theo nguyên lí nào?

Chất khí là môi trường cách điện

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

Sự dẫn điện của chất khí trong điều kiện thường

• Trong chất khí cũng có các hạt tải điện nhưng rất ít.
• 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.

Bản chất dòng điện trong chất khí

Sự ion hóa chất khí và tác nhân ion hóa

• Tác nhân ion hóa
  • Ngọn lửa ga (nhiệt độ rất cao), tia tử ngoại của đèn thuỷ ngân 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 electron tự do.
  • Electron 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 electron ngược chiều điện trường. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hoá sinh ra.

• Hạt tải điện trong chất khí: Các ion dương, ion âm và electron.
• 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.

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.

• 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.
• Quá trình dẫn điện không tự lực không tuân theo định luật Ohm.

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.

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 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 4 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.
  • Catot bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra electron 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 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.

Tia lửa điện và điều 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 eletron tự do.

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.

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.

Hồ 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.

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 hóa chất khí, tạo ra tia lửa điện giữa hai điện cực. Khi đã có tia lửa điện, quá trình phóng điện tự lực vẫn tiếp tục duy trí, mặc dù ta giảm hiệu điện thế đến giá trị không lớn. Nó tạo ra hồ quang điện.

Ứng dụng

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