Giải bài tập SGK Vật lý 11 Bài 15: Dòng điện trong chất khí

Mô tả thí nghiệm phát hiện, đo dòng điện qua chất khí và cách tạo ra hạt tải điện vào trong chất khí.

Phương pháp giải

- Trong thí nghiệm, cách đưa hạt tải điện vào trong chất khí thực chất là việc nung nóng chất khí bằng đèn ga để các phân tử khí bị ion hóa tạo thành các ion dương và electron tự do

- Thí nghiệm gồm: hai bản cực kim loại, nguồn điện, điện kế, vôn kế và ngọn đèn ga

Hướng dẫn giải

- 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, D là ngọn đèn ga dùng để làm nóng không khí giữa hai bản cực.

- Chỉnh con chạy của biến trở R đế vôn kế chỉ một giá trị nào đấy và khảo sát giá trị của điện kế G.

- Trong thí nghiệm trên, cách đưa hạt tải điện vào trong chất khí thực chất là việc nung nóng chất khí bằng đèn ga để các phân tử khí bị ion hóa tạo thành các ion dương và electron tự do.

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

Phương pháp giải

Hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí diễn ra theo kiểu thác lũ làm mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho đến khi electron đến anot

Hướng dẫn giải

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

- Những hạt tải điện đầu tiên có trong chất khí là electron và các ion dương do tác nhân ion hóa sinh ra.

- Electron có 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 trong quãng đường bay tự do lớn hơn năng lượng mà ion nhận được khoảng 5 đến 6 lần.

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

- Quá trình diễn ra theo kiểu thác lũ làm mật độ hạt tải điện tăng mạnh cho đến khi electron đến anot.

Trình bày nguyên nhân gây ra hồ quang điện và tia lửa điện.

Phương pháp giải

- Hồ quang điện tạo thành do sự ion hóa chất khí 

- Tia lửa điện tạo thành do phát xạ nhiệt điện tử và sự bật các electron ra khỏi catôt 

Hướng dẫn giải

- Nguyên nhân gây ra tia lửa điện:

+ Là do sự ion hóa chất khí do va chạm (vì điện trường mạnh)

+ Sự ion hóa chất khí do tác dụng của các bức xạ phát ra trong tia lửa điện.

- Nguyên nhân gây ra hồ quang điện:

+ Hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử

+ Sự bật các electron ra khỏi catôt khi các ion dương có năng lượng lớn đập vào.

Vì sao dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng electron chạy từ catot đến anot?

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được định nghĩa quá trình hồ quang điện.

Hướng dẫn giải

- Dòng điện trong hồ quang điện được tạo ra do quá trình phóng điện tự lực được hình thành khi dòng điện qua chất khí có thể giữ được nhiệt độ cao của catot để nó phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

- Vì vậy dòng điện trong hồ quang điện chủ yếu là dòng electron chạy từ catot đến anot.

Trình bày thao tác hàn điện và giải thích vì sao phải làm thế.

Phương pháp giải

Quá trình hàn điện là làm que hàn nóng chảy vào chỗ cần hàn và hàn kín nó lại

Hướng dẫn giải

- Muốn hàn điện, ban đầu người thợ hàn phải chạm que hàn vào vật cần hàn, khi đó mạch điện bị nối tắt, dòng điện trong mạch rất lớn làm cho điểm tiếp xúc nóng đỏ.

- Khi tách que hàn khỏi vật cần hàn một khoảng ngắn, dòng điện bị ngắt đột ngột, trong đó không khí lúc này xảy ra sự phóng điện giữa que hàn và vật hàn, đó là nguyên nhân gây ra hồ quang điện.

- Nhiệt độ của que hàn sẽ rất cao làm que hàn nóng chảy vào chỗ cần hàn và hàn kín nó lại.

Phát biểu nào là chính xác?

Dòng điện trong chất khí có thể là dòng chuyển động có hướng của

A. các electron mà ta đưa vào trong chất khí.

B. các ion mà ta đưa từ bên ngoài vào chất khí.

C. các electron và ion ta đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

D. các electron và ion sinh ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

Phương pháp giải

Hạt tải điện trong chất khí: các electron và ion sinh ra trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào 

Hướng dẫn giải

- Dòng điện trong chất khí chỉ có thể là dòng chuyển động có hướng của các electron và ion trong chất khí hoặc đưa từ bên ngoài vào trong chất khí.

- Chọn đáp án D.

Phát biểu nào là chính xác?

Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực của chất khí, hình thành do

A. phân tử khí bị điện trường mạnh làm ion hóa.

B. catot bị nung nóng phát ra electon.

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 hóa.

Phương pháp giải

Hồ quang điện hình thành do catot bị nung nóng phát ra electron

Hướng dẫn giải

- Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực của chất khí, hình thành do catot bị nung nóng phát ra electron.

- Chọn đáp án B.

Từ bảng 15.1 các e hãy ước tính:

a) Hiệu điện thế đã sinh ra tia sét giữa đám mây cao 200m và một ngọn cây cao 10m.

b) Hiệu điện thế giữa hai cực của bugi xe máy khi xe chạy bình thường.

c) Đường cách xa đường điện 120kV bao nhiêu thì bắt đầu có nguy cơ bị điện giật mặc dù ta không chạm vào dây điện.

Phương pháp giải

Áp dụng công thức: E = U/d để tính

+ HĐT: U = E.d

+ Khoảng cách: d = U/E

Hướng dẫn giải

a) Khoảng cách d = 600mm = 0,6m 

- Hiệu điện thế là: U = 300000 V 

⇒ E = U/d = 300000/0,6 = 500000 V/m

- Khoảng cách giữa đám mây cao 200m và một ngọn cây cao 10m.

d₁ = 200 – 10 = 190 m

- Hiệu điện thế đã sinh ra tia sét giữa dám mây và ngọn cây là:

U₁ = E.d₁ = 500000. 190 = 0,95.108 V/m

b) Khoảng cách d = 6,1mm = 0,0061m 

- Hiệu điện thế là: U = 20000 V

⇒ E = U/d = 20000/0,0061 = 3,3.106 V/m

- Khoảng cách giữa hai cực của bugi xe máy khoảng d2 ≤ 1mm

⇒ Hiệu điện thế tối thiểu giữa hai cực của bugi xe máy khi xe chạy bình thường:

U₂ = E.d₂ = 3,3.106.1.10-3 = 3300 V

c) Khoảng cách d = 410 mm = 0,41m

- Hệu điện thế là: U = 200000 V

⇒ E = U/d = 200000/0,41 = 487800 V/m

- Khoảng cách từ đường dây điện U₃ = 120kV tới chỗ đứng có nguy cơ bị điện giật là:

\({d_3} = \frac{{{U_3}}}{E} = \frac{{{{120.10}^3}}}{{487800}} = 0,25m = 25cm\)

Cho phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp, giữa hai điện cực cách nhau 20cm. Quãng đường bay tự do của electron là 4cm. Cho rằng năng lượng mà eclectron 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.

Phương pháp giải

- Khoảng cách giữa hai điện cực 20cm và quãng đường bay tự do của electron là 4cm:

⇒ n =  20/4 = 5.

- Dựa vào hiệu ứng tuyết lở suy ra từ 1 e ban đầu sinh ra:

N₁= 31 e

- Tổng số hạt sinh ra: N = 2. N₁

Hướng dẫn giải

Từ hình 15.5 SGK: 

- Ban đầu có 1electron, dưới tác dụng của điện trường sinh ra giữa hai điện cực electron sẽ bay từ điện cực âm về điện cực dương.

- Cứ sau mỗi khoảng bay một quãng đường bằng quãng đường bay tự do trung bình λ = 4 cm

⇒ mỗi electron có thể ion hóa các phần tử khí và sinh thêm được 1 electron.

- Số electron có ở các khoảng cách điều điện cực 4n (với n = 1,2,3,..) lần lượt là:

+ n = 1 → l = 4cm: có 2 e

⇒ số e sinh thêm là: 2 – 1 = 1 hạt

+ n = 2 → l = 8cm: có 4 e

⇒ số e sinh thêm là: 4 – 2 = 2 hạt

+ n = 3 → l = 12cm: có 8 e

⇒ số e sinh thêm là: 8 – 4 = 4 hạt

+ n = 4 → l = 16cm: có 16 e

⇒ số e sinh thêm là: 16 – 8 = 8 hạt

+ n = 5 → l = 20cm: có 32 e

⇒ số e sinh thêm là: 32 – 16 = 16 hạt

- Tổng số e sinh ra từ 1 e ban đầu khi bay từ cực âm đến cực đương là:

N₁ = 1 + 2 + 4 + 8 + 16 = 31 hạt

- Tương ứng với mỗi e sinh ra xuất hiện thêm một ion dương.

- Tổng số hạt sinh ra từ 1 e ban đầu khi bay từ cực âm đến cực dương là:

N = 2.N₁ = 62 hạt.