Bài tập về Dòng điện trong chất khí

Kiến thức cần nhớ

1. Chất khí là môi trường cách điện

Trong thực tế đời sống, cho thấy không khí không dẫn điện. Vì các phân tử khí đều ở trạng thái trung hòa điện, do đó trong chất khí không có các hạt tải điện.

Không khí bình thường không dẫn điện

2. Sự dẫn điện của chất khí trong điều kiện thường

Thực ra, chất khí không phải tuyệt đối không dẫn điện. Trong thí nghiệm khi đốt ngọn lửa ga, bức xạ của đèn thủy ngân đã làm tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí. Kim điện kế lệch khỏi vị trí số 0.

Không khí được đốt nóng, thổi vào giữa 2 bản cực

3. Bản chất dòng điện trong chất khí

3.1. Sự ion hóa chất khí và tác nhân ion hóa

- Chất khí chỉ dẫn điện khi có các hạt tải điện (các ion dương, ion âm và các eletron tự do) do tác nhân ion hóa sinh ra  (ngọn lửa ga (nhiệt độ rất cao), tia tử ngoại của đèn thủy ngân).

Quá trình ion hóa 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.

3.2. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

- Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí xảy ra khi ta phải dùng tác nhân ion hóa từ bên ngoài để tạo ra hạt tải điện trong chất khí.

- Quá trình dẫn điện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.

Sự phụ thuộc của I theo U

3.3. 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 nhân số hạt tải điện.

- Khi electron và ion dương sinh ra do tác nhân ion hóa. Do electron nhỏ hơn ion dương nên đi được quãng đường dài hơn, nó nhận năng lượng từ điện trường ngoài đến va chạm với các phân tử trung hòa thì ion hóa nó, biến nó thành electron tự do và ion dương. Quá trình cứ như vậy diễn ra theo kiểu thác lũ.

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 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.

- Có bốn cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:

1. Dòng điện chạy qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hoá.

2. Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá ngay khi nhiệt độ thấp.

3. Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra êlectron. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

4. 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.

5. Tia lửa điện và điều kiện tạo ra tia lửa điện

- 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 êlectron 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.

+ Hiệu điện thế đủ đề phát sinh tia lửa điện trong không khí giữa hai điện cực dạng khác nhau, ở các khoảng cách khác nhau.

- Ứng dụng:

Tia lửa điện được dùng phổ biến trong động cơ nổ để đốt hỗn hợp trong xilanh. Bộ phận phát tia lửa điện là bugi.

Cấu tạo bugi

Sét là tia lửa điện hình thành giữa đám mây và mặt đất

6. Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện

- 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 tỏa nhiệt và tỏa sáng rất mạnh.

- Điều kiện tạo ra hồ quang điện:

+ Người ta làm cho hai điện cực nóng đỏ đến mức có thể phát ra được một lượng lớn electron bằng sự phát xạ nhiệt electron.

+ 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 có tia lửa điện, quá trình phóng điện tự lực tiếp tục được duy trì, nó tạo ra một cung sáng chói như ngọn lửa nối hai điện cực, người ta gọi là hồ quang điện.

Hồ quang điện

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

Hàn điện

Bugi trong động cơ nổ (xe máy, ô tô)

Bài tập tự luyện có hướng dẫn

Bài 1 : Quá trình dẫn điện nào dưới đây của chất khí là quá trình dân điện không tự lực?

A. Quá trình dẫn điện của chất khí khi không có tác nhân ion hoá.

B. Quá trình dẫn điện của chất khí đặt trong điện trường mạnh.

C. Quá trình dẫn điện của chất khí trong đèn ống.

D. Quá trình dẫn điện của chất khí nhờ tác nhân ion hoá.

Lời giải

Quá trình dẫn điện của chất khí nhờ tác nhân ion hóa là quá trình dẫn điện không tự lực.

Chọn đáp án D

Bài 2 : Câu nào dưới đây nói về sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I vào hiệu điện thế U giữa hai cực tụ điện chứa chất khí trong quá trình dẫn điện không tự lực là không đúng?

A. Với mọi giá trị của U: I luôn tăng tỉ lệ với U.

B. Với U nhỏ: I tăng theo U.

C. Với U đủ lớn: I đạt giá trị bão hoà.

D. Với U quá lớn: I tăng nhanh theo U.

Lời giải

Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I vào hiệu điện thế U giữa hai cực tụ điện chứa chất khí trong quá trình dẫn điện không tự lực như sau:

Với U nhỏ thì I tăng theo U.

Với U đủ lớn thì I đạt giá trị bão hòa lúc này U tiếp tục tăng nhưng I không đổi.

Với U quá lớn thì cường độ dòng điện tăng vọt lên.

Chọn đáp án A

Bài 3 : Câu nào sau đây nói về hồ quang điện là đúng?

A. Nếu thử làm lạnh chỉ điện cực âm của hồ quang thì hồ quang sẽ tắt.

 B. Nếu thử làm lạnh chỉ điện cực dương của hồ quang thì hồ quang sẽ tắt.

C. Nếu thử làm lạnh chỉ điện cực âm của hồ quang thì hồ quang vẫn được duy trì.

D. Nếu đồng thời làm lạnh cả hai điện cực của hồ quang thì hồ quang vẫn được duy trì.

Lời giải

Nếu thử làm lạnh chỉ điện cực âm của hồ quang thì hồ quang sẽ tắt.

Chọn đáp án A

Bài 4 : Câu nào dưới đây nói về quá trình dẫn điện tự lực của chất khí là không đúng?

A. Là quá trình dẫn điện trong chất khí khi có hiện tượng nhân số hạt tải điện.

 B. Là quá trình dẫn điện trong chất khí do tác nhân ion hoá từ ngoài.

C. Là quá trình dẫn điện trong chất khí không cần tác nhân ion hoá từ ngoài.

D. Là quá trình dẫn điện trong chất khí thường gặp: tia lửa điện, hồ quang điện.

Lời giải

Quá trình phóng điện tự lực của chất khí là quá trình phóng điện vẫn tiếp tục giữ được khi không còn tác dụng của các tác nhân ion hóa từ bên ngoài.

Chọn đáp án B

Bài 5 : Câu nào dưới đây nói về hồ quang điện là không đúng?

A. Là qụá trình phóng điện tự lực trong chất khí khi được đặt trong điện trường đủ mạnh để ion hoá chất khí.

B. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí mà các hạt tải điện mới sinh ra là êlectron tự do thoát khỏi catôt do phát xạ nhiệt êlectron.

C. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí không cần hiệu điện thế quá cao, chỉ cần có cường độ dòng điện đủ lớn để đốt nóng đỏ catôt.

D. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí được ứng dụng trong hàn điện, nấu chảy kim loại, chiếu sáng.

Lời giải

Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực của chất khí mà các hạt tải điện mới sinh ra là electron tự do và ion dương do đặt vào giữa hai điện cực một điện trường đủ mạnh.

Chọn đáp án A

Bài 6 : Câu nào dưới đây nói về tia lửa điện là không đúng?

A. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí khi được đặt trong điện trường đủ mạnh (khoảng 3.10⁶ V/m) để ion hoá chất khí.

B. Là quá trình phóng điện không tự lực trong chất khí mà các hạt tải điện mới sinh ra là êlectron tự do thoát khỏi catôt khi ion dương tới đập vào catôt.

C. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí có thể tự duy trì, không cần có tác nhân ion hoá từ ngoài.

D. Là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí được sử dụng làm bugi (bộ đánh lửa) để đốt cháy hỗn hợp nổ trong động cơ nổ.

Lời giải

Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực của chất khí mà các hạt tải điện mới sinh ra là electron tự do và ion dương do đặt vào giữa hai điện cực một điện trường đủ mạnh.

Chọn đáp án B

Bài 7 : Tại sao ở điều kiện bình thường chất khí lại không dẫn điện? Trong kĩ thuật, tính chất này của không khí được sử dụng làm gì?

Lời giải

Xem mục I và II, Bài 15, SGK Vật lí 11.

Trong kĩ thuật, tính chất này của không khí được sử dụng làm vật cách điện giữa các đường dây tải điện, làm khoá ngắt mạch điện (công tắc)... .

Bài 8 : Dòng điện trong chất khí được tạo thành bởi những loại hạt tải điện nào? Các loại hạt tải điện này chuyển động như thế nào trong điện trường giữa hai điện cực anôt và catôt của ống phóng điện? Nêu kết luận về bản chất dòng điện trong chất khí.

Lời giải

Xem mục III, Bài 15, SGK Vật lí 11.

Dòng điện trong chất khí được tạo thành bởi các loại hạt tải điện gồm các êlectron tự do, các ion dương và ion âm.

Đặt một hiệu điện thế vào hai điện cực của một ống phóng điện có chứa chất khí đã bị ion hoá. Khi đó các hạt tải điện có sẵn trong ống bị điện trường giữa anôt và catôt tác dụng, nên ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn, chúng còn có thêm chuyển động định hướng: các êlectron và các ion âm chuyển động ngược hướng điện trường bay tới anôt, các ion dương chuyển động theo hướng điện trường bay về catôt. Chính  các dòng hạt tải điện chuyển động định hướng này đã đồng thời góp phần tạo thành dòng điện trong chất khí.

Như vậy, bản chất dòng điện trong chất khí là dòng các êlectron cùng với các ion âm chuyển động ngược hướng điện trường và dòng ion dương chuyển động theo hướng điện trường.

Bài 9 : Sét là gì? Tại sao sét lại kèm theo những tiếng nổ lớn mà ta gọi là tiếng sấm hay tiếng sét?

Lời giải

Sét là tia lửa điện khổng lồ xảy ra do sự phóng tia lửa điện giữa hai đám mây tích điện trái dấu hoặc giữa đám mây tích điện với ngọn cây cao, mô đất cao hay đồi núi,... trên mặt đất. Hiệu điện thế gây ra sét có thể đạt tới hàng trăm triệu vôn (10⁸ - 10⁹V) và cường độ dòng điện trong sét có thể đạt tới hàng vạn ampe (10⁴ – 10⁵A). Tia lửa điện trong sét làm áp suất không khí tăng đột ngột, do đó gây ra tiếng nổ lớn kèm theo.

Tiếng nổ do sét phóng điện giữa hai đám mây gây ra gọi là tiếng sấm.

Tiếng nổ do sét phóng điện giữa đám mây và các vật trên mặt đất gây ra gọi là tiếng sét.

Bài 10 : Giải thích tại sao đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện I chạy qua chất khí phụ thuộc hiệu điện thế U giữa anôt và catôt trong ống phóng điện lại có dạng như Hình 15.4 SGK Vật lí 11?

Lời giải

Bình thường, đa số phân tử khí đều ở trạng thái trung hoà, chỉ có một số rất ít phân tử khí bị ion hoá do tác dụng của chuyển động nhiệt, hoặc do tác dụng của tia vũ trụ và tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời,… . Do đó số hạt tải điện trong chất khí ở điều kiện bình thường là rất ít, không đủ để tạo ra dòng điện có thể đo được.

Khi đốt nóng mạnh chất khí, các phân tử khí bị ion hoá và tạo ra một số lớn các hạt tải điện. Nếu giữa hai điện cực anôt và catôt không có hiệu điện thế (U = 0) thì trong chất khí không có điện trường và các hạt tải điện chuyển động hỗn loạn, không tạo ra dòng điện. Khi giữa anôt và catôt có hiệu điện thế (U ≠ 0) thì trong chất khí có điện trường, nên ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn, các hạt tải điện có thêm chuyển động định hướng về các điện cực, tạo thành dòng điện I chạy qua chất khí.

Với U > 0 và nhỏ: điện trường trong chất khí chưa mạnh nên chỉ có một số ít chuyển động về anôt, do đó cường độ dòng điện I nhỏ. Khi U tăng dần thì số electron chuyển động từ catôt về anôt sau mỗi giây càng nhiều thêm, do đó dòng điện I cũng tăng dần và tỉ lệ với U.

- Với U > 0 và đủ lớn: điện trường trong chất khí đủ mạnh, nên toàn bộ electron xuất hiện ở catôt sau mỗi giây đều chuyển động hết về anôt. Khi đó mặc dù U tăng, nhưng dòng điện I không tăng nữa và đạt giá trị không đổi, gọi là dòng điện bão hoà.

- Với các giá trị U > 0 và quá lớn: điện trường trong chất khí quá mạnh nên các électron được gia tốc rất mạnh và có động năng rất lớn. Các électron này có thể ion hoá các phân tử khí khi va chạm với chúng trên đường đi từ catôt đến anôt (còn gọi là ion hoá do va chạm), làm tăng mật độ hạt tải điện lên rất nhanh theo hiện tượng nhân số hạt tải điện. Trong giai đoạn này, dòng điện I tăng vọt rất nhanh theo

Câu 11. Hiện tượng hồ quang điện được ứng dụng

A. trong kĩ thuật hàn điện

B. trong kĩ thuật mạ điện

C. trong điốt bán dẫn

D. trong ống phóng điện tử

Lời giải:

Chọn A.

Hiện tượng hồ quang điện được ứng dụng trong kĩ thuật hàn điện.

Câu 12. Trong các cách dưới đây, cách nào dưới đây tạo ra tia lửa điện ?

A. Nung nóng không khí giữa hai đầu tụ điện được tích điện

B. Đặt vào hai đầu của hai thanh than một hiệu điện thế khoảng 40 V đến 50 V

C. Tạo một điện trường rất lớn khoảng 3.10⁶ V/m trong chân không

D. Tạo một điện trường rất lớn khoảng 3.10⁶ V/m trong không khí

Lời giải:

Chọn D.

Tạo một điện trường rất lớn khoảng 3.10⁶ V/m trong không khí.

Câu 13. Phát biểu nào sau đây là đúng ?

A. Hiệu điện thế gây ra sét chỉ có thể lên tới hàng triệu vôn

B. Hiện tượng hồ quang điện chỉ xảy ra khi hiệu điện thế đặt vào các cặp cực của thanh than khoảng V

C. Cường độ dòng điện trong chất khí luôn luôn tuân theo định luật Ôm

D. Tia catốt là dòng chuyển động của các electron bứt ra từ catốt

Lời giải:

Chọn D.

Tia catốt là dòng chuyển động của các electron bứt ra từ catốt.

Câu 14. Khi tạo ra hồ quang điện, ban đầu ta cần phải cho hai đầu thanh than chạm vào nhau để

A. tạo ra cường độ điện trường rất lớn

B. tăng tính dẫn điện ở chỗ tiếp xúc của hai thanh than

C. làm giảm điện trở ở chỗ tiếp xúc của hai thanh than đi rất nhỏ

D. làm tăng nhiệt độ ở chỗ tiếp xúc của hai thanh than lên rất lớn

Lời giải:

Chọn D.

Khi tạo ra hồ quang điện, ban đầu ta cần phải cho hai đầu thanh than chạm vào nhau để làm tăng nhiệt độ ở chỗ tiếp xúc của hai thanh than lên rất lớn.

Câu 15. Cho phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp, giữa 2 điện cực cách nhau 30 cm. Quãng đường bay tự do của electron là 5 cm. Cho rằng năng lượng e nhận được trên quãng đường bay tự do đủ để ion hóa chất khí, hãy tính xem một electron đưa vào trong chất khí có thể sinh ra tối đa bao nhiêu hạt tải điện ?

A. 126 hạt              B. 16 hạt

C. 127 hạt              D. 100 hạt

Lời giải:

Chọn A.

Cứ sau một quãng đường tự do, e sẽ va chạm với một nguyên tử và tạo thành 2 e và một ion dương. Vậy sau quãng đường giữa hai bản cực là 30 cm = 6.5 cm, số hạt mang điện sinh ra trong môi trường giữa hai điện cực là: 2⁶ + 2⁵ + 2⁴ + 2³ + 2² + 2¹ = 126 hạt.

Câu 16. Bản chất dòng điện trong chất khí là:

A. Dòng chuyển dời có hướng của các iôn dương theo chiều điện trường và các iôn âm, electron ngược chiều điện trường.

B. Dòng chuyển dời có hướng của các iôn dương theo chiều điện trường và các iôn âm ngược chiều điện trường.

C. Dòng chuyển dời có hướng của các iôn dương theo chiều điện trường và các electron ngược chiều điện trường.

D. Dòng chuyển dời có hướng của các electron theo ngược chiều điện trường.

Lời giải:

Chọn A

- Bản chất dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các iôn dương theo chiều điện trường và các iôn âm, electron ngược chiều điện trường.

- Bản chất dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các iôn dương theo chiều điện trường và các iôn âm ngược chiều điện trường.

- Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron theo ngược chiều điện trường.

Câu 17. Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Hạt tải điện trong chất khí chỉ có các các iôn dương và ion âm.

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

C. Hạt tải điện cơ bản trong chất khí là electron, iôn dương và iôn âm.

D. Cường độ dòng điện trong chất khí ở áp suất bình thường tỉ lệ thuận với hiệu điện thế.

Lời giải:

Chọn C

Hạt tải điện cơ bản trong chất khí là electron, iôn dương và iôn âm.

Câu 18. Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Dòng điện trong kim loại cũng như trong chân không và trong chất khí đều là dòng chuyển động có hướng của các electron, ion dương và ion âm.

B. Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển động có hướng của các electron. Dòng điện trong chân không và trong chất khí đều là dòng chuyển động có hướng của các iôn dương và iôn âm.

C. Dòng điện trong kim loại và trong chân không đều là dòng chuyển động có hướng của các electron. Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển động có hướng của các electron, của các iôn dương và iôn âm.

D. Dòng điện trong kim loại và dòng điện trong chất khí là dòng chuyển động có hướng của các electron. Dòng điện trong chân không là dòng chuyển động có hướng của các iôn dương và iôn âm.

Lời giải:

Chọn C

Câu 19. Hiện tượng hồ quang điện được ứng dụng

A. trong kĩ thuật hàn điện.

B. trong kĩ thuật mạ điện.

C. trong điốt bán dẫn.

D. trong ống phóng điện tử.

Lời giải:

Chọn A

Kĩ thuật hàn kim loại thường được hàn bằng hồ quang điện.

Câu 20. Cách tạo ra tia lửa điện là

A. Nung nóng không khí giữa hai đầu tụ điện được tích điện.

B. Đặt vào hai đầu của hai thanh than một hiệu điện thế khoảng 40 đến 50V.

C. Tạo một điện trường rất lớn khoảng 106 V/m trong chân không.

D. Tạo một điện trường rất lớn khoảng 106 V/m trong không khí.

Lời giải:

Chọn D

Cách tạo ra tia lửa điện là tạo một điện trường rất lớn khoảng 3.10⁶ V/m trong không khí.

Câu 21. Khi tạo ra hồ quang điện, ban đầu ta cần phải cho hai đầu thanh than chạm vào nhau để

A. Tạo ra cường độ điện trường rất lớn.

B. Tăng tính dẫn điện ở chỗ tiếp xúc của hai thanh than.

C. Làm giảm điện trở ở chỗ tiếp xúc của hai thanh than đi rất nhỏ.

D. Làm tăng nhiệt độ ở chỗ tiếp xúc của hai thanh than lên rất lớn.

Lời giải:

Chọn D

Khi chập hai thỏi than với nhau, nhiệt độ ở chỗ tiếp xúc rất lớn để tạo ra các hạt tải điện trong vùng không khí xung quanh hai đầu thỏi than.

Câu 22. Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Hiệu điện thế gây ra sét chỉ có thể lên tới hàng triệu vôn.

B. Hiện tượng hồ quang điện chỉ xảy ra khi hiệu điện thế đặt vào các cặp cực của thanh than khoảng 104V.

C. Cường độ dòng điện trong chất khí luôn luôn tuân theo định luật Ôm.

D. Tia catốt là dòng chuyển động của các electron bứt ra từ catốt.

Lời giải:

Chọn D

Tia catốt là dòng chuyển động của các electron bứt ra từ catốt.

Câu 23. Đối với dòng điện trong chân không, khi catôt bị nung nóng đồng thời hiệu điện thế giữa hai đầu anốt và catốt của bằng 0 thì

A. Giữa anốt và catốt không có các hạt tải điện.

B. Có các hạt tải điện là electron, iôn dương và iôn âm.

C. Cường độ dòng điện chạy chạy mạch bằng 0.

D. Cường độ dòng điện chạy chạy mạch khác 0.

Lời giải:

Chọn C

Khi U_AK = 0 thì cường độ dòng điện trong chân không là I = 0.

Xem thêm các dạng bài tập Vật lí liên quan có đáp án khác:

70 Bài tập về Dòng điện trong chất bán dẫn (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Dòng điện trong chân không (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Dòng điện trong chất điện phân (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Dòng điện trong kim loại (2024) có đáp án chi tiết nhất

1000 Bài tập Vật lí Chương 3. Dòng điện trong các môi trường (có đáp án năm 2024)