Dòng điện trong chất khí – bản chất và ứng dụng

25 Tháng Năm, 2021 122 Nguyễn Tiến Thành

Logo sieusach

Chúng ta ai cũng biết một điều rằng chất khí không dẫn điện tuy nhiên lại tồn tại một khái niệm đó là dòng điện trong chất khí. Vậy tại sao lại có dòng điện trong chất khí? Bản chất của nó là gì và nó có ứng dụng gì trong thực tế đời sống? Chúng tôi sẽ giải đáp những câu hỏi về dòng điện có trong chất khí này ở bài viết dưới đây. Cùng theo dõi bài viết để biết được dòng điện trong chất khí là gì nhé!

Khái quát về dòng điện trong chất khí

Các chất khí ở áp suất khí quyển là những chất có tính cách điện vô cùng tốt. Trong mỗi chất khí hầu như là không có các phần tử chứa điện tích. Chất khí chỉ chứa dòng điện trong trường hợp trong nó được tạo ra những ion (ion hóa chất khí). Ví dụ như có sự tạo thành các ion do nhiệt (sự tạo thành các ion trong ngọn lửa) hoặc có sự chiếu rọi chất khí bằng các tia tử ngoại, tia gamma hay tia rơnghen không khí sẽ có tính dẫn điện không duy trì. 

Tìm hiểu về dòng điện có trong chất khí

Tìm hiểu về dòng điện có trong chất khí

Những hạt mang điện sẽ được tăng tốc và va chạm với những phân tử trung hòa có trong chất khí (thông thường là chất khí loãng). Lúc này chúng sẽ ion hóa những phân tử trung hòa này và sản sinh ra chất dẫn điện tự duy trì mà không cần phải có nguồn ion hóa phụ. Tất cả những điều trên sẽ tạo ra dòng điện trong chất khí.

Bản chất dòng điện trong chất khí

Sự ion hóa chất khí và tác nhân gây ion hóa

Qua những thông tin ở trên chúng ta có thể thấy những chất tác nhân ion hóa có thể kể đến như nhiệt độ cao, sự chiếu rọi chất khí bằng các tia tử ngoại, tia gamma hay tia rơnghen. Nhờ vào việc có năng lượng cao mà chúng có thể ion hóa chất khí và tách phân tử khí trung hòa trở thành ion dương cũng như Êlectron tự do. Những êlectron tự do sẽ kết hợp với những phân tử khí trung hòa thành các ion âm. Những hạt tích điện này chính là hạt tải điện bên trong chất khí.

Như vậy chúng ta có thể đưa ra kết luận dòng điện trong chất khí chính là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều của điện trường. Còn các ion âm là Êlectron sẽ di chuyển ngược chiều điện trường. Những hạt tải điện này được sản sinh do chất khí bị ion hóa. 

Sự ion hóa chất khí

Sự ion hóa chất khí

Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

Quá trình chất dẫn điện của chất khí chúng ta vừa mô tả ở trên được gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) không tự lực. Nó chỉ diễn ra khi các hạt tải điện được đưa vào khối khí ở giữa 2 bản cực. Nó ngừng khi ta không đưa hạt tải điện vào nữa. 

Khi thay đổi hiệu điện thế U ở giữa của 2 bản cực và ghi lại dòng điện I dịch chuyển qua chất khí chúng ta sẽ thấy quá trình dẫn điện không tự lực và không tuần hoàn theo định luật ôm.

Nó chia làm 3 đoạn rõ rệt như sau: 

Đoạn Oa: Có U nhỏ và dòng điện sẽ tăng theo U 

Đoạn ab: U đủ lớn và dòng điện I đạt được giá trị bão hòa. Lúc này I sẽ không thay đổi khi U tăng lên. 

Đoạn bc: U quá lớn. I sẽ tăng nhanh khi U tăng. Điều này chứng tỏ rằng khi hiệu điện thế ở mức quá lớn thì khi nó tăng lên sẽ làm cho điện trở của chất khí giảm và mật độ hạt tải điện có sự tăng lên.

Quá trình và điều kiện để tạo ra 

Quá trình dẫn điện của chất khí có thể duy trì mà không cần phải liên tục đưa các hạt tải điện vào được gọi là quá trình phóng điện tự lực (dẫn điện tự lực). 

Có bốn phương thức chính để dòng điện có thể tạo ra các hạt tải điện mới trong chất khí đó là:

Điều kiện tạo ra dòng điện trong chất khí

Điều kiện tạo ra dòng điện trong chất khí

  • Dòng điện đi qua chất khí làm cho nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến cho phân tử khí bị ion hóa. 
  • Điện trường trong chất khí lớn làm cho phân tử khí bị ion hóa ngay khi nhiệt độ xuống thấp. 
  • Catôt phóng điện nung nóng đỏ sẽ làm cho nó có được khả năng phát ra êlectron. Hiện tượng  này được gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử. 
  • Catôt không nóng đỏ nhưng bị những ion dương có năng lượng lớn va đập vào cũng sẽ làm bật các êlectron ra khỏi catot và trở thành hạt tải điện.

Tùy thuộc vào cơ chế sản sinh hạt tải điện mới trong chất khí mà chúng ta có những kiểu tự phóng điện khác nhau. Hai khiểu phóng điện tự lực dễ gặp nhất đó là hồ quang điện và tia lửa điện. Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ chia sẻ thông tin chi tiết về hai kiểu phóng điện tự lực này để giúp các bạn hiểu rõ hơn. 

Tổng quan về tia lửa điện

Định nghĩa

Tia lửa điện là khái niệm được dùng để diễn tả quá trình phóng điện tự lực bên trong chất khí ở giữa 2 điện cực khi có điện trường đủ mạnh để làm cho phân tử khí trung hòa trở thành ion dương và Êlectron tự do.

Điều kiện để tạo ra tia lửa điện

Khi điện trường đạt giá trị ngưỡng vào khoảng 3.106 V/m sẽ hình thành ra tia lửa điện trong không khí. Hiệu điện thế để có thể phát sinh ra tia lửa điện trong không khí giữa hai điện cực ở dạng khác nhau.

Tia lửa điện

Tia lửa điện

Ứng dụng của tia lửa điện

Hiện nay, tia lửa điện được ứng dụng vô cùng phổ biến trong chế tạo động cơ nổ với chức năng là đốt hỗn hợp nổ – Hỗn hợp nổ phổ biến hiện nay đó chính là hơi xăng được trộn lẫn với không khí có trong xi lanh. Bộ phận được dùng để tạo ra tia lửa điện bên trong động cơ có tên là bugi. Thực chất bộ phận này chỉ là 2 điện cực với khoảng cách là 10mm ở trên một khối sứ cách điện. 

Ngoài ra thì tia lửa điện còn được con người ứng dụng trong ngành công nghệ gia công. Thực hiện gia công bằng tia lửa điện chính là phương pháp gia công với các đồ vật bằng cách thực hiện phóng các tia lửa điện lên trên các bề mặt của đồ vật cần thực hiện gia công. Khi tia lửa điện tiếp xúc với bề mặt gia công sẽ khiến cho bề mặt này nóng chảy hoặc bốc hơi do quá trình điện nhiệt. Thực chất công nghệ gia công bằng điện chính là quá trình các tia lửa điện ăn mòn kim loại.

Tổng quan về hồ quang điện 

Định nghĩa 

Hồ quang điện là khái niệm được dùng để chỉ quá trình phóng điện một cách tự lực diễn ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp được đặt giữa hai điện cực với hiệu điện thế không lớn.

Hồ quang điện là gì?

Hồ quang điện là gì?

Điều kiện sản sinh hồ quang điện

Điều kiện tạo ra hồ quang điện bao gồm hai yếu tố sau:

  • Ở hai điện cực có hiện tượng nóng đỏ đủ để tạo ra ion
  • Có một dòng điện trường đủ mạnh tồn tại giữa hai điện cực để sản sinh ra ion hóa không khí và tạo  ra tia lửa điện.

Tính chất cơ bản của hồ quang điện

  • Hồ quang điện tại trung tâm có nhiệt độ lớn. Các dụng cơ khí có ứng dụng hồ quang điện nhiệt độ có thể lên tới  6000 ÷ 80000K
  • Mật độ dòng điện tại cathode tương đối lớn. Nó rơi vào khoảng 104 ÷ 105 A/cm2.
  • Chỉ khi dòng điện có trị số lớn mới có thể sản sinh ra hiện tượng phóng điện hồ quang.
  • Sụt áp diễn ra ở cathode thường sẽ bằng 10 ÷ 20V. Hiện tượng  này diễn ra không phụ thuộc vào dòng điện.

Ứng dụng của hồ quang điện 

Hồ quang điện hiện được con người ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sau:

Ứng dụng hồ quang điện

Ứng dụng hồ quang điện

  • Hồ quang điện được ứng dụng vô cùng phổ biến trong lĩnh vực luyện thép. Tuy nhiên với điều khiện hồ quang điện phải có độ cháy ổn định thì mới có thể ứng dụng cho lĩnh vực này. 
  • Hồ quang điện còn được ứng dụng trong lĩnh vực hàn.  Nhờ có nhiệt độ cao mà hồ quang điện được con người ứng dụng để thực hiện các mối hàn. Hiện nay trên thị trường những sản phẩm máy hàn hồ quang điện được bày bán rất phổ biến
  • Bên cạnh đó hồ quang điện còn được ứng dụng trong các lò luyện phôi nhiệt và nấu kim loại. 

Trên đây là những thông tin về dòng điện trong chất khí mà chúng tôi đã tổng hợp lại để chia sẻ với các bạn. Hy vọng thông qua bài viết các bạn đã biết được dòng điện trong chất khí là gì cũng như những kiến thức khác liên quan đến nó. 

Xem thêm:

Bài viết liên quan