Dòng điện trong chất khí – Giới thiệu
Giới thiệu chung
Định nghĩa: Hiện tượng có dòng điện chạy qua trong chất khí gọi là hiện tượng phóng điện trong chất khí. Hành vi của khí phụ thuộc nhiều vào các thông số của nó, chẳng hạn như nhiệt độ và áp suất, và các thông số này thay đổi khá dễ dàng. Do đó, dòng điện chạy trong chất khí phức tạp hơn trong kim loại hoặc trong chân không.Các chất khí không tuân theo định luật Ôm.
Sự ion hóa và tái tổ hợp
Một chất khí ở điều kiện bình thường bao gồm các phân tử thực tế là trung hòa, do đó, nó là một chất dẫn điện cực kỳ kém. Tuy nhiên, dưới tác động bên ngoài, một điện tử có thể thoát ra khỏi nguyên tử và một ion tích điện dương xuất hiện. Ngoài ra, một electron có thể tham gia vào một nguyên tử trung hòa và tạo thành một ion mang điện tích âm. Như vậy, có thể thu được một chất khí bị ion hóa, tức là plasma.
Các ảnh hưởng bên ngoài bao gồm sưởi ấm, chiếu xạ các photon năng lượng, bắn phá bởi các hạt khác và trường mạnh, tức là các điều kiện tương tự cần thiết cho sự phát xạ nguyên tố.
Một electron trong nguyên tử nằm trong một giếng thế, và để thoát ra khỏi giếng đó, cần phải truyền thêm năng lượng cho nguyên tử, năng lượng này được gọi là năng lượng ion hóa.
Dòng điện trong chất khí
Xả khí là quá trình dòng điện đi qua chất khí. Từ kinh nghiệm có thể thấy rằng khi nhiệt độ tăng, độ dẫn của không khí tăng lên. Ngoài việc đốt nóng, độ dẫn điện của chất khí có thể được tăng lên theo những cách khác, ví dụ, bằng tác động của bức xạ. Ở điều kiện bình thường, chất khí chủ yếu được cấu tạo bởi các nguyên tử và phân tử trung hòa, và do đó là chất điện môi.
Khi chúng ta tác động lên một chất khí bằng bức xạ hoặc làm nóng nó, một số nguyên tử bắt đầu phân rã thành các ion dương và các electron – ion hóa. Sự ion hóa chất khí xảy ra do khi bị nung nóng, tốc độ của các phân tử, nguyên tử tăng lên rất mạnh, khi chúng va chạm vào nhau sẽ bị phân hủy thành ion.
Độ dẫn khí
Sự dẫn điện trong chất khí được thực hiện chủ yếu bởi các electron. Hai loại dẫn điện được kết hợp trong chất khí: điện tử và ion. Không giống như các dung dịch điện phân, trong chất khí, sự hình thành các ion xảy ra khi đun nóng, hoặc do tác động của các chất ion hóa bên ngoài – bức xạ, trong khi trong các dung dịch điện phân, sự hình thành các ion là do sự suy yếu của các liên kết giữa các phân tử.
Nếu đến một lúc nào đó chất ion ngừng tác dụng lên chất khí thì dòng điện cũng dừng lại. Trong trường hợp này, các ion và electron mang điện tích dương lại có thể liên kết – tái tổ hợp. Nếu không có trường bên ngoài, thì các hạt mang điện sẽ biến mất chỉ do tái tổ hợp.
Nếu hoạt động của bộ ion hóa không bị gián đoạn, thì trạng thái cân bằng động sẽ được thiết lập. Ở trạng thái cân bằng động, số cặp hạt mới hình thành (ion và electron) sẽ bằng số cặp biến mất – do tái tổ hợp.Trong chất khí, có các phóng điện không tự duy trì và tự duy trì.
Hiện tượng dòng điện chạy qua chất khí, chỉ quan sát được trong điều kiện có tác động từ bên ngoài vào chất khí, được gọi là hiện tượng phóng điện không tự lực. Quá trình tách electron ra khỏi nguyên tử được gọi là quá trình ion hóa nguyên tử. Năng lượng tối thiểu phải sử dụng để tách electron ra khỏi nguyên tử được gọi là năng lượng ion hóa. Một chất khí bị ion hóa một phần hoặc toàn bộ, trong đó mật độ của điện tích dương và điện tích âm là như nhau, được gọi là plasma.
Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí
Là quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì, không cần tác động liên tục đưa hạt tải điện vào.
Các cách 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 nhanh, phân tử khí bị ion hoá.
- Điện trường trong chất khí lớn, làm phân tử khí bị ion hóa ngay khi nhiệt độ thấp.
- Catot bị dòng điện nung nóng đỏ sẽ phát ra electron. Đây là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.
- Catot không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn va chạm vào. Từ đó làm bật electron ra khỏi catot và trở thành hạt tải điện.
- Tuỳ thuộc vào cơ chế sinh ra hạt tải điện mới trong chất khí mà ta có các kiểu phóng điện tự lực khác nhau.
- Tia lửa điện và hồ quang điện là hai kiểu phóng điện tự lực thường gặp nhất hiện nay.
Ứng dụng dòng điện trong chất khí
Hồ quang điện có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu xây dựng, kim loại….
Như vậy, bài viết trên đã cung cấp đầy đủ đến quý độc giả những kiến thức xung quanh dòng điện trong chất khí và những ứng dụng trong cuộc sống. Hy vọng các bạn cũng đã hiểu thêm được về tia lửa điện của hồ quang điện. Hãy đọc để hiểu hơn về hiện tượng trong cuộc sống nhé!