Vật lý 11 - Chương III: Dòng điện trong các môi trường

CHƯƠNG III Dòng điện trong kim loại Bản chất dòng điện trong kim loại. Dựa vào thuyết electron : +Nguyên tử mất electron -> ion dương -> liên kết-> mạng tinh thể -> mạng tinh thể mất trật tự khi chuyển động nhiệt của các ion dương càng mạnh. + Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử -> electron tự do với mật độ n không đổi -> khí electron chuyển động hổn độn, không sinh ra dòng điện. +đẩy khí electron chuyển động ngược với -> dòng điện. +Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electrun tự do -> điện trở của kim loại. Nhận xét : Hạt tải điện trong kim loại là electron tự do, mật độ n rất cao (n = 1028 đến 1029 m-3), nên kim loại dẫn điện rất tốt. Chú ý : a/ Sự mất trật tự xãy ra ở mạng tinh thể là do : - Chuyển động nhiệt của các ion dương. - Sự méo mạng tinh thể là do biến dạng cơ học. - Nguyên tử lẫn trong kim loại. b/ Mật độ dòng điện được định nghĩa : n : mật độ hạt mang điện. q0: độ lớn điện tích của hât mang điện. : vận tốc có hướng trung bình của hạt nang điện. Ngoài ra : I = dSn : là vectơ có cùng hướng --- với vectơ pháp tuyến, có độ --- lớn dS. I = n tỉ lệ nghịch với điện trở => n tỉ lệ nghịch với điện trở suất của kim loại. Kết luận : Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường. Sự phụ thuộc của điện trở của kim loại theo nhiệt độ. Nhiệt độ tăng -> chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể tăng. ρ = ρ0[1+α(t – t0)] α : hệ số nhiệt điện trở . Đối với tất cả các kim loại : α > 0 Đối với một số vật dẫn loại một trong một khoảng nhiệt độ nào đó và với chất điện phân (vật dẫn loại hai) : α < 0. đối với kim loại nguyên chất thì α ≈ = giá trị của hệ số nở vì nhiệt của chất khí. Do đó đối với kim loại nguyên chất thì : ρ = ρ0αT (T; nhiệt độ tuyệt đối) . Tập hợp các electron tự do trong kim loại coi như một khí electron giống như khí lý tưởng. Sự va chạm giữa các electron với các ion dương ở nút mạng tinh thể kim loại là sự biểu hiện tương tác của electron và ion dương, các va chạm này dẫn đến sự cân bằng nhiệt giữa khí electron và mạng tinh thể kim loại. Khí electron tuân theo các định luật của khí lý tưởng. Vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt của electron : ; k = 1,38.10-23J/K ; T: nhiệt độ tuyệt đối ; m : khối lượng của electron. Vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của electron : << và cần phân biệt giữa với vận tốc truyền tương tác điện từ V = 3.108m/s. ρ0 : điện trở suất ở nhiệt độ t0 . ρ 0 10 20 T(K) t0 = 200C ( T = 293K) vì sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất của các kim loại không còn tuyến tính nữa ở các nhiệt độ thấp dưới 20K . Ở những nhiệt độ này, điện trở của một kim loại phụ thuộc mạnh vào lượng tạp chất trong kim loại. Thực tế các phép đo điện trở suất ở nhiệt độ thấp thường được sử dụng để đánh giá lượng tạp chất trong một kim loại. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn. Đối với một số kim loại được làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp thì thấy xuất hiện một hiện tượng đặc biệt : điện trở của kim loại hoàn toàn biến mất. Hiện tượng này gọi là hiện tượng siêu dẫn . Hiện tượng siêu dẫn là một trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt chất siêu dẫn trong từ trường thì từ trường còn bị đẩy ra khỏi nó. Đặc trưng của chất siêu dẫn là khả năng tải dòng điện một chiều không có sự hao phí năng lượng và sự đẩy từ trường ra khỏi chất siêu dẫn khi chất siêu dẫn đặt trong từ trường. Theo lý thuyết BCS (John Bardeen, Leon Cooper, Robert Schriffer) đã kết luận rằng: Trong chất siêu dẫn có các cặp điện tử (gọi là cặp Cooper). Các cặp Cooper truyền trong chất siêu dẫn mà không có va chạm và hệ qủa là không có điện trở. Lý thuyết này đã giải thích thỏa mãn cho các vật liệu trở thành siêu dẫn ở những nhiệt độ thấp hơn 24K (siêu dẫn cổ điển). Từ năm 1986 rất nhiều chất siêu dẫn mới được phát hiện, hầu hết các chất này có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nằm trong vùng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hóa lỏng của Nitơ (77K) và được gọi chung là siêu dẫn nhiệt độ cao. Lý thuyết BCS đã không giải thích được các tính chất của vật liệu này. Phải ra đời những lý thuyết mới hoặc mở rộng lý thuyết BCS mới giải thích được các tính chất của các vật liệu siêu dẫn sạch. Nhiệt độ tới hạn. Nhiệt độ chuyển pha Khi nghiên cứu điện trở của Hg trong sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ Kamerlingh Onnes đã quan sát được rằng điện trở của Hg ở trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy cở 243K (-390C) là 39,7Ω). trạng thái lỏng tại 00C (273K) có giá trị là 172,7Ω, tại gần 4k có gía trị là 8.10-2Ω và tại T ~ 3K có gía trị nhỏ hơn 3.10-6Ω. Như vậy có thể coi ở nhiệt độ T < 4K, điện trở của Hg biến mất ( hoặc xấp xĩ bằng 0). Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (TC). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái siêu dẫn. Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy gỉảm đột ngột đến khi bằng 0 được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ΔT). Độ rộng chuyển pha siêu dẫn(ΔT) phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn........... Hiện tượng nhiệt điện : a.Hiện tượng : Cho hai kim loại khác nhau thí dụ đồng và Sắt)gắn tiếp xúc với nhau thành một mạch kín. Nếu nhiệt độ hai mối hàn như nhau thì suất điện động của mạch bằng 0, trong mạch không có dòng điện. Nhưng nếu nhiệt độ ở đầu hai mối hàn chênh lệch thì suất điện động của mạch sẽ khác không, trong mạch xuất hiện dòng điện. đó là hiện tượng nhiệt điện. Suất điện động đó gọi là suất nhiệt điện động. mạch như trên gọi là cặp nhiệt điện. ξ = C(T1 – T2) với T1> T2 T1; T2 : nhiệt độ ở hai kim loại . C là hệ số phụ thuộc bản chất của hai kim loại và thay đổi ít theo nhiệt độ, nó cho biết độ lớn của suất nhiệt điện động khi nhiệt độ hai mối hàn chênh nhau 10C . Thí dụ: đối với cặp nhiệt điện đồng – contantin C = 41,8μV/độ. b. Ứng dụng : Đo nhiệt độ . T cặp nhiệt điện T0 mV Dùng hai dây kim loại khác nhau, hàn hai đầu của chúng và mắc vào một milivolt kế . Trước tiên, lấy mẫu cho nó bằng cách đặt mối hàn lạnh ở nhiệt độ T0 cố định thường là nước đá đang tan ở 00C , đặt mối hàn nóng vào những nơi có nhiệt độ biết trước và giá trị các nhiệt độ này bên cạnh các giá trị suất điện động tương ứng theo số chỉ của kim milivolt kế. Sau đó chia thang độ của milivolt kế ra nhiệt độ. Khi muốn đo nhiệt độ T ở một nơi nào đó, đặt mối hàn nóng vào đó, đặt mối hàn lạnh ở nhiệt độ như đã lấy mẫu nước đá đang tan rồi đọc nhiệt độ cần biết trên milivolt kế. Ưu điểm nổi bật của cặp nhiệt điện so với nhiệt kế là nó có thể đo được những khoảng nhiệt độ rất rộng từ vài độ đến trên 1000 độ. Nó còn cho phép đo được nhiệt độ tại từng điểm trong một vật, việc đo rất nhanh chóng vì quán tính nhiệt của cặp nhiệt điện rất nhỏ. Ngoài ra, cặp nhiệt điện còn được dùng để phát sinh dòng điện, gọi là pin nhiệt điện. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN Thuyết điện li (Thuyết Arrhénius) : Trong dung dịch, các hợp chất hóa học như acide, baze và muối bị phân li (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử bị tích điện gọi là ion ; ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt tải điện. Acide HnA e Các ion trong dung dịch chuyển động hổn độn + + - + + + + - - - - + Dung dịch Acide - + + + - - + + - HnA = nH+ + An- cathode(-) anode(+) Baze M(0H)n Dung dịch Baze M(0H)n = Mn+ + n(0H)- cathode(+) anode(+) Dung dịch Muối MA MA = M+ + A- cathode(-) anode(+) Các ion dương chuyển động cùng chiều về phía cathode gọi là cation, tại cathode ion dương nhận electron và trở thành nguyên tử trung hòa. Các ion âm chuyển động ngược chiều điện trường về phía anode gọi là anion , tại anode ion âm nhường electron và trở thành nguyên tử trung hòa. Chất điện phân là những dung dịch hoặc là những chất nóng chảy. Giải thích hiện tương điện li : Xét dung dịch Muối. Hiện tượng điện li trong dung dịch muối xãy ra là do hai nguyên nhân : chuyển động nhiệt hổn độn của các phân tử, nguyên tử và tương tác giữa các phân tử có cực (do liên kết các ion khác dấu trong mạng tinh thể Na+ và Cl- ) của chất hòa tan với các phân tử tự phân cực của dung môi (H2O) H+ Mô hình phân tử NaCl trong nước H+ O= Cl- Na+ O= H+ H+ Quá trình phân li xãy ra như sau: Các phân tử H2O do cấu trúc của chúng mà ion O= và hai ion H+ phân bố mỗi loại ở một phía có tâm không trùng nhau, do đó phân tử H2O có cấu tạo như một lưỡng cực điện . Khi hòa tan NaCl trong nước, các lưỡng cực điện của các phân tử nước tạo quanh nó một điện trường, làm cho các ion Na+ và Cl- trước liên kết chặt, nay bị yếu đi (Trường hợp này yếu đi ε = 81 lần). Với liên kết yếu như vậy, khi phân tử NaCl tham gia chuyển động nhiệt chúng rất dễ dàng bi tách thành các ion Na+ và Cl- riêng rẽ và tạo thành quá trình điện li. Cùng với quá trình điện li, có quá trình ngược lại, đó là quá trình tái hợp. các ion trái dấu của chất hòa tan bị phân li, do chuyển động nhiệt và lực tương tác tĩnh điện khi chúng lại gần nhau, va chạm với nhau tạo thành các phân tử trung hòa. Hai qúa trình xãy ra ngược nhau, đồng thời, sau một khoảng thời gian nào đó sẽ xãy ra sự cân bằng động. Bản chất dòng điện trong chất điện phân.: Dòng điện trong lòng chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau. Mật độ các ion trong chất điện phân thường nhỏ hơn mật độ các electron tự do trong kim loại. Khối lượng và kích thước của ion lớn hơn khối lượng và kích thước của các electron nên tốc độ của chuyển động có hướng của chúng nhỏ hơn. Môi trường dung dịch lại rất trật tự nên cản trở mạnh chuyển động của các ion. Vì vậy chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại. Dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất (theo nghĩa hẹp)đi theo. Tới điện cực chỉ có electron đi tiếp, còn lượng vật chất đọng lại ở điện cực, gây ra hiện tượng điện phân. Tùy bản chất hóa học của chất làm điện cực, mà quá trình trao đổi điện tích giữa ion và điện cực sẽ kèm theo những phản ứng hóa học phụ. Các hiện tượng diễn ra ở điện cực. Hiện tượng dương cực tan. Hiện tượng dương cực tan (Có phản ứng phụ) A N Điện phân dung dịch CuSO4 với Anode bằng Cu Là hiện tượng xãy ra với dung dịch muối kim loại và cực dương là kim loại của dung dịch muối này. Xét dung dịch CuSO4 với cực dương bằng Cu.Khi có dòng điện chạy qua : Cu2+ -> cathode , nhận e- từ nguồn điện chạy tới. Cu2+ + 2e- -> Cu bám vào cathode. Ở anode, e- bị kéo về cực dương của nguồn điện, kết hợp với Cu thành Cu2+ trên bề mặt tiếp xúc với dung dịch. Cu -> Cu2+ + 2e-. Khi anion (SO4)2- chạy về anode, nó kéo theo cation Cu2+ vào dung dịch , nên đồng ở anode sẽ tan dần trong dung dịch. Đó là hiện tượng dương cực tan . Các hiện tượng diễn ra ở anode và cathode trong bình điện phân trên là một phản ứng cân bằng nhưng xãy ra theo hai chiều ngược nhau : Cu2+ + 2e- Cu. Nếu phản ứng xãy ra theo chiều này thu năng lượng, thì phản ứng xãy ra theo chiều ngược lại tỏa năng lượng, nên tổng cộng lại điện năng không bị tiêu hao trong quá trình phân tích các chất mà chỉ bị tiêu hao vì tỏa nhiệt. Bình điện phân là một điện trở thuần Một số điện phân có phản ứng phụ. -Điện phân dung dịch H2SO4 với điện cực bằng Pt. Anode : oxi bay ra Cathode : hydro bay ra thể hydro gấp đôi thể tích oxi. Chỉ có H2O bị phân tích thành hydro và oxi. - Điện phân dung dịch NaOH với điện bằng sắt Anode : oxi bay ra. Cathode:hydro bay ra thể hydro gấp đôi thể tích oxi. Chỉ có H2O bị phân tích thành hydro và oxi. Năng lượng W dùng để thực hiện việc phân tách lấy từ năng lượng của dòng điện, nên tỉ lệ với điện lượng tải qua bình điện phân => W = εpIt, trong đó εp là suất phản điện của bình điện phân. Giá trị của εp phụ thuộc vào bản chất của điện cực và chất điện phân và có đơn vị là volt. Trong trường hợp bình điện phân dương cực tan thì εp = 0 Các định luật Faraday Định luật Faraday thứ nhất : Khối lượng của chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó . m = kq (1) k gọi là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng ở điện cực. Định luật Faraday thứ hai : Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam của nguyên tố đó và hệ số tỉ lệ (F là số Faraday) k = (2) Thí nghiệm cho biết , nếu I tính bằng ampère, t tính nằng giây => F = 96494 C/mol ≈ 96500 C/mol (1) , (2) => m = .It m là lượng chất được giải phóng ở điện cực, tính bằng gam Ứng dụng của hiện tượng điện phân Luyện nhôm. Người ta điều chế nhôm nguyên chất bằng cách điện phân các muối nóng chảy của nó . Chất điện phân là hổn hợp muối nóng chảy gồm aluminAl2O3 và cryôlit Na2AlF6 còn điện cực bằng than Mạ điện. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 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. Chất khí chỉ trở thành dẫn điện khi trong chất khí có những phần tử tải điện (e-, ion(-), ion(+)) tức là khi chất khí bị ion hóa Sự ion hóa chất khí ===> Nguyên tử trung hòa ion dương Mô tả quá trình ion hóa nguyên tử e----- e----- e----- ++ ++ Đó là qúa trình các electron tách khỏi nguyên tử trung hòa làm cho nguyên tử trở thành ion (+). Nhớ rằng cũng có khả năng một nguyên tử trung hòa nhận thêm e- để trở thành ion (-), nhưng quá trình này không gọi là ion hóa. Năng lượng ion hóa Để tách e- ra khỏi nguyên tử, ta cần phải cung cấp cho e- một năng lượng nào đó, để thắng được năng lượng liên kết của e- ở lớp võ với các hạt nhân trong nguyên tử (proton, neutron). Năng lượng này gọi là năng lượng ion hóa, phụ thuộc vào : +Bản chất hoá học của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên chất khí (O2, N2....). +Trạng thái năng lượng của e- trong nguyên tử (nguyên tử ở các lớp s,p,d,f). Thí dụ : Năng lượng ion hóa của He là 24,5eV, của Ne là 21,5eV..... Điện thế ion hóa. Đó là hiệu điện thế cần thiết để gia tốc e- trong điện trường để năng lượng của nó bằng năng lượng ion hóa. Tác nhân ion hóa. Sự ion hóa chỉ xãy ra khi có các nguồn kích thích ion hóa và gọi là tác nhân ion hóa có thể là từ bên ngoài (đốt nóng, tia X, phóng xạ, chùm e- hay ion khác) cũng có thể là do e- hay ion xuất hiện khi khi bị ion hóa tác dụng vào các nguyên tử, phân tử trung hòa khác : sự ion hóa do va chạm. Cường độ ion hóa. Cường độ ion hóa là số cặp điện tích trái dấu xuất hiện trong một đơn vị thể tích, trong một đơn vị thời gian ΔN0. Nếu trong chất khí, nồng độ điện tích trái dấu là n0, thì trong một đơn vị thể tích, số phân tở trung hòa được tạo thành sẻ tỉ lệ với n02, do đó ta có : ΔN0 = β n02 ; β : hệ số tái hợp, đo bằng m3/s Thí dụ : với không khí thì β = 1,67.10-15m3/s. Khi có dự cân bằng động, số cặp điện tích trái dấu tạo ra do ion hóa bằng số cặp tái hợp. ΔN0 = β n02 => n0 = Như vậy, ta thấy do quá trình tái hợp, nếu tác nhân ion hóa ngừng, trong chất khí sẽ không còn ion nữa Chuyển động của ion trong chất khí dưới tác dụng của điện trường Nếu đặt một chất khí bị ion hóa vào trong một điện trường ngoài, thì tùy theo dấu của ion, mà chúng sẽ chuyển động theo hoặc ngược chiều điện trường với vận tốc v± nào đó.v± sẽ tỉ lệ với cường độ điện trường ngoài E. v± = b±E ; b± : hệ số tỉ lệ gọi lả độ linh động của ion (+), (-). E = 1V/m => v± = b± : độ linh động là vận tốc chuyển động của ion khi E = 1V/m. Độ linh động tỉ lệ nghịch với áp suất của chất khí . b = . Thật vậy vì khi p nhỏ số phân tử trong một đơn vị thể tích ít, số lần va chạm trong một đơn vị thời gian ít, cản trở chuyển động của các ion ít, tức là dộ linh động tăng lên. Sự dẫn điện của chất khí trong điều kiện thường, Giả sử có hai tấm kim loại đặt song song với nhau trong không khí. Thí nghiệm chứng tỏ khi nối chúng với hai cực của nguồn điện một chiều thì trong mạch không có dòng điện. Nguyên nhân vì ở điều kiện bình thường thì không khí cũng như các chất khí khác không có hoặc có rất ít hạt tải điện. Nhưng dùng một ngọn lửa đốt nóng khối khí giữa hai tấm kim loại đó thì trong mạch xuất hiện dòng điện và có tia lửa điện phóng qua chất khí đã trở nên dẫn điện. Thay ngọn lữa, bằng cách rọi vào khối khí đó một chùm tia tử ngoại hay chùm tia X cũng có kết quả tương tự. Điều đó chứng tỏ khi được kích thích, các phân khí bị ion hóa, bị tách thành các ion dương và các electron tự do. các electron tự do lại có thể kết hợp với phân tử trung hòa để trở thành ion âm. Do đó dưới tác dụng của điện trường ngoài (do nguồn điện sinh ra), các ion dương chuyển động theo chiều điện trường, các electron tự do và các ion âm chuyển động ngược chiều điện trường, tạo thành dòng điện trong chất khí. Bản chất dòng 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 nảy do chất khí bị ion hóa sinh ra. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí. Là quá trình tồn tại khi đưa hạt tải điện vào trong khối khí và biến mất khi ngừng đưa hạt tải điện vào. Xét chi tiết quá trình này : + khi áp suất khí p lớn hơn hoặc xấp xỉ bằng áp suất khí quyển p0, các electron xuất hiện do tác nhân ion hóa sẽ nhanh chóng tương tác với nguyên tử, phân tử trung hòa, tạo thành các ion sự dẫn điện lúc này là sự dẫn điện bằng ion (dương và âm). + Khi áp suất khí p << p0, các electron xuất hiện do tác nhân ion hóa, vì áp suất nên ít va chạm với các nguyên tử, phân tử trung hòa, nên vẫn tồn tại dưới dạng electron tự do. Sự dẫn điện của chất kmí trong lúc này là sự dẫn điện tự do. +Khi áp suất p ≈ p0 . Bố trí thí nghiệm. A 1 2 I c a b U O U nhỏ U đủ lớn U quá lớn V A Một ống A chứa khí cần xét trong sự phóng điện có hai điện cực 1,2. hai điện cực này nối với nguồn điện , hiệu điện thế của hai điện cực đo bằng volt kế và thay đổi bắng biến trở R. Khi có tác nhân ion hóa trong chất khí cò dòng điện, cường độ dòng điên I của nó thay đổi theo hiệu điện thế U được vẽ trên giản đồ IU (đường đặc trưng volt-ampère). Giải thích đồ thị * Đoạn Oa : Khi hiệu điện thế nhỏ , mật độ dòng điện trong chất khí . trong đó : n0 : nồng độ cặp phần tử tải điện trái dấu. q : điện tích của phần tử tải điện v± : vận tốc của các phần tử tải điện (+) và (-) => ; với E = ; d là khoảng cách giữa hai điện coi là phẳng Như vậy, khi E tăng, tức là U tăng, dòng điện I tăng tuyến tính theo U. * Đoạn ab : Hiệu điện thế U đủ lớn. Khi điện trường đủ mạnh sao cho trong một đơn vị thời gian bao nhiêu ion tạo nên do tác nhân ion hóa đều đi đến các điện cực hết, khi đó dù có tăng hiệu điện thế, dòng điện vẫn không tăng => dòng điện bảo hòa. Cường độ dòng điện phụ thuộc vào cường độ ion hóa. * Đoạn bc : Hiệu điện thế U quá lớn . Khi điện trường tăng mạnh, ứng với hiệu điện thế vượt một gía trị U0 nào đó, dòng điện tăng đột ngột : đó là quá trình ion hóa do va chạm. Các electron thu được năng lượng đủ lớn khi chuyển động trong điện trường, khi mà động năng của electron lớn hơn năng lượng ion hóa. Cứ mỗi “va chạm” lại tạo thêm một electron mới và electron này lại ion hóa nguyên tử trung hòa khác. Quá trình này tạo thành thác electron (Hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất trong quá trình dẫn điện không tự lực) Để đơn giản , xét trường hợp các điện cực là phẳng và các electron do tác nhân ion hóa tạo nên cathode anode e- e- e- e- e- e- e- e- x x + dx Sự tạo thành thác electron x = 0 Tính số electron bay tới anode từ cathode. Gọi α là số electron trung bình tạo ra khi đi qua một quãng đường bằng một đơn vị chiều dài do một electron tạo ra, được gọi là hệ số ion hóa thể tích nó phụ thuộc vào E và áp suất p. n : số electron bay vào lớp có chiều dày nằm giữa x và x +dx . số electron mới tạo ra trong lớp này là : dn = n.α.dx => = α.dx => n = ceαx , với c là hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu. Tại cathode, x = 0, n = N0 : số electron bay ra từ cathode do tác nhân ion hóa bên ngoài ban đầu. Vậy : c = N0 => n = N0eαx. Nếu khoảng cách giữa cathode và anode là d, khi đó số electron tới anode sẽ là : nA = N0ecd Kết luận : Như vậy cả ba giai đoạn của đồ thị IU (Oabc) khi ngừng tác nhân ion hóa (N0) => n0 ~ = 0 => = 0 và nA = 0, nghĩa là dòng điện trong chất khí ngừng => sự dẫn điện không tự lực. 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 đưa liên tục hạt tải điện vào, 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 các hạt tải điện đã đi tới điện cực và 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 tải điện tăng mạnh, khiến cho môi trường dẫn điện tốt. 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 chất khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị phân hóa. 2. Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị phân hóa ngay khi nhiệt độ thấp. 3. Cathode 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 điện tử. 4. Cathode không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào, làm bật electron ra khỏi cathode và trở thành hạt tải điện. Tùy cơ chế sinh hạt tải điện mới trong chất khí mà trong thực tế có các dạng phóng điện tự lực khác nhau. Hai dạng phóng điện tự lực thường gặp nhất là tia lửa điện và hồ quang điện. Tia lửa điện và điều kiện để tạo ra tia lửa điện. 1. 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 hòa thành ion dương và các electron tự do 2. Điều kiện để tạo ra tia lửa điện : Trong không khí tia lửa điện có thể hình thành khi điện trường đặt vào đạt gía trị ngưỡng vào khoảng 3.106V/m Hiện tượng phóng tia lửa điện xãy ra ở áp suất thường, khi có cường độ điện trường lớn. Khi đó trong chất khí xuất hiện thác electron. Các electron này kích thích các nguyên tử trung hòa phát ra photon. Chính các photon này, khi truyền với tốc độ ánh sáng sẽ ion hóa các chất khí, tạo ra các thác electron mới. Các thác này tạo ra các kênh dẫn điện. Kèm theo với phát sáng là tỏa nhiệt làm áp suất khí tăng hàng trăm atmosphère) nhiệt độ tới hàng vạn độ C, gây ra tiếng nổ. Thí dụ : Sét là sự phóng tia lửa điện, đường kính các kênh dẫn điện 10cm đến 25cm, chiều dài hàng km, cường độ dòng điện đạt tới hàng trăm ngàn ampère 3. Ứng dụng : Tia lửa điện được dùng phổ biến trong động cơ nổ để đốt hổn hợp nổ (là hơi xăng lẫn không khí) trong xylanh. bộ phận để tạo ra tia lửa điện là bugi (đó là hai điện cực đặt cách nhau vào cở milimét trên một khối sứ cách điện) Sự phóng điện phát sáng. Trong điều kiện phóng điện tự lực xãy ra, nếu ống thủy tinh có chiều dài khoảng 0,5m chứa khí ở áp suất rất thấp (từ 0,1mmHg đến 0,01mmHg), thì trong ống xuất hiện những miền sáng và miền tối xen kẽ. đó là hiện tượng phóng điện phát sáng. ánh sáng phát ra bởi quá trình tái hợp : electron tái hợp với ion dương, để trở thành phân tử trung hòa, năng luợng được giải phóng dưới dạng photon ánh sáng. Đây chính là nguyên tắc hoạt động của đèn ống. Phía bên trong đèn ống, để tăng độ sáng người ta tráng một lớp bột huỳnh quang có tác dụng phát sáng khi các electron va chạm vào thành ống. Nguồn điện xoay chiều khiến cho các vùng sáng tối thay đổi liên tục vì vậy ta không phân biệt được các vùng đó do hiện tượng lưu ảnh của mắt. Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện Định nghĩa : Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xãy 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 ; Trong ống phóng điện phát sáng, nếu ta giảm điện trở mạch ngoài để mật độ dòng điện qua chất khí tăng lên và công suất tiêu thụ trong ống cũng tăng theo thì sự phóng điện phát sáng sẽ trở thành một dạng phóng điện tự lực khác gọi là phóng điện hồ quang. Đặc điểm của phóng điện hồ quang là cường độ dòng điện rất lớn (có thể tới vài trăm ngàn ampère trên một mm2) nhưng hiệu điện thế giữa hai điện cực thì rất nhỏ khoảng vài chục volt . Nguyên nhân là trong hồ quang đã xuất hiện hai quá trình có tác dụng làm thay đổi sâu sắc tính chất của sự phóng điện. Đó là sự phát xạ nhiệt electron từ cực âm bị nung đỏ bởi sự bắn phá của ion dương và sự phát electron tự động do tác dụng của điện trường mạnh lên cực âm. Phóng điện hồ quang có th