Vật lí 11 Bài 15: Dòng điện trong chất khí

Mục lục Giải Vật lí 11 Bài 15: Dòng điện trong chất khí

Câu hỏi C1 trang 86 Vật lí 11: Nếu không khí dẫn điện thì:

a) Mạng điện trong gia đình có an toàn không?

b) Oto, xe máy có chạy được không?

c) Các nhà máy điện sẽ ra sao?

Lời giải:

a) Mạng điện trong gia đình sẽ không an toàn vì điện có thể truyền tới mọi nơi và mọi vật. Ta không thể ngắt điện và nối điện vào thiết bị được.

b) Ô tô, xe máy sẽ không chạy được vì bugi không tạo ra tia lửa điện.

c) Ở các nhà máy điện không thể duy trì hoạt động được. Vì có sự phóng điện qua không khí giữa hai cực của nguồn điện. Khi đó, nguồn điện, người và các vật dẫn tạo thành mạch kín, có dòng điện chạy qua.

Câu hỏi C2 trang 87 Vật lí 11: Vì sao ngay từ lúc chưa đốt đèn thủy ngân, chất khí cũng dẫn điện ít nhiều?

Lời giải:

Hình trên thể hiện mạch đo trực tiếp dòng điện qua chất khí bằng điện kế nhạy cảm.

Trong chất khí, chủ yếu là các nguyên tử, phân tử trung hòa điện. Tuy nhiên vẫn tồn tại một số ít các ion dương, ion âm vai trò như các hạt tải điện. Vì vậy, chất khí không hoàn toàn là chất cách điện.

Câu hỏi C3 trang 88 Vật lí 11: Trong quá trình dẫn điện không tự lực của khí, khi nào dòng điện đạt giá trị bão hòa?

Lời giải:

Trong quá trình dẫn điện không tự lực của khí, dòng điện đạt giá trị bão hòa khi hiệu điện thế U giữa hai bản cực đủ lớn, số hạt tải điện sinh ra trong một đơn vị thời gian không tăng và trong một đơn vị thời gian, toàn bộ số hạt tải điện này đều đi về điện cực.

Câu hỏi C4 trang 89 Vật lí 11:Khi có quá trình nhân số hạt tải điện thì cường độ điện trường tại các điểm khác nhau ở giữa hai bản cực có giống nhau không? Vì sao?

Lời giải:

- Khi có quá trình nhân số hạt tải điện thì cường độ điện trường tại các điểm khác nhau ở giữa hai bản cực không giống nhau.

- Vì mật độ hạt tại các điểm khác nhau trong điện trường là khác nhau, sinh ra sự chênh lệch giữa các vị trí và cường độ điện trường tại các điểm khác nhau sẽ khác nhau.

Câu hỏi C5 trang 91 Vật lí 11: Vì sao khi đi đường gặp mưa giông, sấm sét dữ dội, ta không nên đứng trên những gò cao hoặc trú dưới gốc cây mà nên nằm dán người xuống đất?

Lời giải:

Khi mưa giông, các đám mây ở gần mặt đất thường tích điện âm và mặt đất tích điện dương. Giữa đám mây và mặt đất có hiệu điện thế rất lớn. Những chỗ nhô cao trên mặt đất như gò hay ngọn cây là nơi có điện tích tập trung nhiều nên điện trường rất mạnh, dễ dàng có sự phóng tia lửa điện giữa đám mây và những chỗ đó gọi là sét.

Vì vậy, để tránh sét, ta không cần đứng trên những gò cao hoặc trú dưới gốc cây mà nên nằm dán xuống đất.

Bài 1 trang 93 Vật lí 11: Mô tả thí nghiệm phát hiện và đo dòng điện qua chất khí và cách đưa hạt tải điện trong chất khí.

Lời giải:

A và B là hai bản cực kim loại, E là nguồn điện có suất điện động khoảng vài chục vôn, G là một điện kế nhạy, V là vôn kế, Đ là đèn ga (đặt giữa hai bản cực). Chỉnh con chạy của biến trở R để vôn kế V chỉ giá trị nào đó và quan sát điện kế G.

- Khi không đốt đèn ga Đ, kim điện kế hầu như chỉ số 0 vì bình thường chất khí hầu như không dẫn điện do trong chất khí có sẵn rất ít hạt tải điện.

- Khi đốt đèn ga, kim điện kế lệch đáng kể khỏi vị trí số 0

- Kéo đèn ga ra xa, dùng quạt thổi khí nóng đi qua giữa hai bản cực, kim điện kế vẫn lệch.

- Tắt đèn, chất khí lại hầu như không dẫn điện.

- Thay đèn ga bằng đèn thủy ngân (tia tử ngoại) và làm thí nghiệm tương tự như trên, ta cũng thấy kết quả tương tự.

Vậy ngọn lửa ga và bức xạ của đèn thủy ngân đã làm tăng mật độ hạt tải điện  trong chất khí.

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 êlectron tự do.

Bài 2 trang 93 Vật lí 11: Trình bày hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí.

Lời giải:

Hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí:

Trước hết, do tác nhân ion hóa, trong chất khí có các hạt tải điện là ion dương và electron tự do. Các hạt tải điện này chuyển động về hai điện cực, ion dương chuyển động cùng chiều điện trường, electron tự do chuyển động ngược chiều điện trường. Trong quá trình chuyển động có hướng, electron có năng lượng đủ lớn nên khi va chạm vào phân tử trung hòa thì nó ion hóa phân tử làm xuất hiện thêm ion dương và electron. Quá trình diễn ra theo kiểu thác lũ làm mật độ electron tăng nhanh cho đến khi electron đến anot.

Bài 3 trang 93 Vật lí 11: Trình bày nguyên nhân gây ra hồ quang điện và tia lửa điện.

Lời giải:

 - Nguyên nhân gây ra tia lửa điện là do sự ion hóa chất khí do va chạm (vì điện trường mạnh) và 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 là do hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử và sự bật các electron ra khỏi catôt khi các ion dương có năng lượng lớn đập vào.

Bài 4 trang 93 Vật lí 11: Vì sao dòng điện trong hồ quang điện lại chủ yếu là dòng electron chạy từ catot đến anot?

Lời giải:

Dòng điện trong hồ quang điện chủ yếu là dòng electron chạy từ catot đến anot, vì: 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 electron.

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

Bài 5 trang 93 Vật lí 11: Trình bày thao tác hàn điện và giải thích vì sao phải làm thế.

Lời giải:

- Thao tác hàn điện: Một cực của nguồn điện nối vào vật cần hàn, cực kia nối với que hàn. Ban đầu người thợ hàn phải chạm que hàn vào vật cần hàn, sau đó nhấc que hàn lên một chút thì hồ quang điện phát sinh

- Giải thích:

+ Khi chạm que hàn vào vật cần hàn thì 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 nên xuất hiện suất điện động tự cảm lớn tạo điều kiện cho hồ quang điện phát sinh.

Bài 6 trang 93 Vật lí 11: Phát biểu nào là chính xác?

Dòng điện trong chất khí có thể là dòng chuyển dời 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.

Lời giải:

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

Chọn đáp án D

Bài 7 trang 93 Vật lí 11: 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 hoá.

B. catôt bị nung nóng phát ra êlectron

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 hoá.

Lời 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

Bài 8 trang 93 Vật lí 11: 

Từ bảng 15.1, các em 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 tối thiểu giữa hai cực của bugi xe máy khi xe chạy bình thường.

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

Lời giải:

a) Quan sát bảng số liệu ta thấy ở khoảng cách d = 600mm = 0,6m thì hiệu điện thế là: U = 300000 V

$\Rightarrow E =\frac{U}{d}=\frac{300000}{0,6}= 500000V/m$

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 đám mây và ngọn cây là:

U₁ = E.d₁ = 500000. 190

= 0,95.10⁸ V/m

b) Từ bảng số liệu ta thấy ở khoảng cách d = 6,1mm = 0,0061m thì hiệu điện thế là: U = 20000 V

$\Rightarrow E =\frac{U}{d}=\frac{20000}{0,0061}$ = 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) Từ bảng số liệu ta thấy ở khoảng cách d = 410 mm = 0,41m thì hiệu điện thế là: U = 200000 V

$\Rightarrow E=\frac{U}{d}=\frac{200000}{0,41}$ = 487800 V/m

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

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

Đáp án:

a) 0,95.10⁸V; 

b) U < 3300V; d₁ ≥ 0,25m

Bài 9 trang 93 Vật lí 11: 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 icon hóa chất khí, hãy tính xem một electron đưa vào trong chất khí có thể sinh ra tối đa bao nhiêu hạt tải điện.

Lời giải:

Dựa vào hiệu ứng tuyết lở để giải thích: Từ hình 15.5 SGK ta thấy:

Ban đầu có 1 electron, 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 thì mỗi electron có thể ion hóa các phần tử khí và sinh thêm được 1 electron. Vậy 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 electron

→ số electron sinh thêm là: 2 – 1 = 1 hạt

• n = 2 → l = 8cm: có 4 electron

→ số electron sinh thêm là: 4 – 2 = 2 hạt

• n = 3 → l = 12cm: có 8 electron

→ số electron sinh thêm là: 8 – 4 = 4 hạt

• n = 4 → l = 16cm: có 16 electron

→ số electron sinh thêm là: 16 – 8 = 8 hạt

• n = 5 → l = 20cm: có 32 electron

→ số electron sinh thêm là: 32 – 16 = 16 hạt

Vậy tổng số electron sinh ra từ 1 electron ban đầu khi bay từ cực âm đến cực đương là:

N₁ = 1 + 2 + 4 + 8 + 16 = 31 hạt

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

Vậy tổng số hạt sinh ra từ 1 electron ban đầu khi bay từ cực âm đến cực dương là:

N = 2.N₁ = 62 hạt

Đáp án: N = 62 hạt

Bài giảng Vật lí 11 Bài 15: Dòng điện trong chất khí

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí lớp 11 hay, chi tiết khác:

Bài 16: Dòng điện trong chân không

Bài 17: Dòng điện trong chất bán dẫn

Bài 18: Thực hành: khảo sát đặc tính chỉnh lưu của Điôt bán dẫn và đặc tính khuếch đại của tranzito

Bài 19: Từ trường

Bài 20: Lực từ. Cảm ứng từ

Xem thêm tài liệu Vật lí lớp 11 hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Dòng điện trong chất khí

Trắc nghiệm Dòng điện trong chất khí có đáp án