Dòng điện trong chất khí ⭐ Bản chất và ứng dụng là gì?

Như chúng ta đã biết, chất khí trong điều kiện thường là một môi trường cách điện. Vậy tại sao lại có khái niệm dòng điện trong chất khí? Bản chất và ứng dụng của dòng điện này như thế nào? Cùng chúng tôi tìm hiểu chi tiết về dòng điện này trong bài viết sau đây.

Tổng quan về chất khí trong điều kiện thường

Trong điều kiện thường chất khí không dẫn điện bởi các phân tử khí đều nằm trong trạng thái trung hòa điện. Chính vì thế, trong chất khí không có các phần tử mang điện tích. Các phần tử này còn được gọi là hạt tải điện. Nó chỉ dẫn điện khi ta tạo ra sự ion hóa phân tử khiến các phần tử ion tồn tại trong đó.

Khi sử dụng ngọn đèn ga để đốt nóng chất khí hoặc các tác động nhiệt khác thì sẽ làm xuất hiện các hạt tải điện. Khi đó, chất khí sẽ có khả năng dẫn điện. Khi chiếu vào chất khí tia rongen, tia tử ngoại hoặc tia gamma sẽ tạo ra khả năng dẫn điện không tự duy trì. Các hạt mang điện do tác động của điện trường sẽ tăng tốc và va chạm với các phần tử trung hòa trong chất khí.

Khi đó, các phần tử trung hòa sẽ bị ion hóa và có tính dẫn điện tự duy trì. Lúc này, ta sẽ không cần phải sử dụng đến nguồn ion hóa phụ. Toàn bộ những quá trình nói trên đều có thể tạo ra dòng điện trong chất khí. Quá trình phóng điện được duy trì ngay cả khi không có tác nhân ion hóa được gọi là phóng điện tự lực.

Bản chất dòng điện trong chất khí

Khi có sự xuất hiện của nguồn ion hóa thì trong chất khí xảy ra 2 quá trình trái ngược nhau. Đó là sự phân rã các phân tử trung hòa thành các ion mang điện. Quá trình còn lại là sự tái hợp của các phân tử có điện tích khác nhau thành phân tử trung hòa.                                                                                                

Vì vậy, dòng điện này có bản chất là dòng chuyển dời có hướng của các electron, ion dương (+) và ion âm (-) được sinh ra do chất khí bị ion hóa. Các hạt ion (+) sẽ chuyển động theo chiều điện trường. Ngược lại, các hạt ion (-) sẽ  chuyển động ngược chiều điện trường.

Khi không còn tác nhân ion hóa các hạt mang điện sẽ trao đổi điện tích với nhau hoặc trao đổi với điện cực. Lúc này các phân tử khí sẽ được trung hòa và mất đi khả năng dẫn điện.

Điều kiện xảy ra quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí

Như đã trình bày ở trên, quá trình phóng điện tự lực trong chất khí là khi không còn tác nhân ion hóa tác động từ bên ngoài mà quá trình phóng điện vẫn diễn ra. Nói cách khác thì đây là quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì mà ta không cần tạo ra các hạt tải điện.

Bốn cách để dòng điện sinh ra các hạt mang điện tích (hạt tải điện) mới trong chất khí như sau:

• Dòng điện đi qua chất khí khiến cho nhiệt độ khí tăng lên rất cao. Điều này làm cho các phân tử khí bị ion hoá.

• Trong chất khí tồn tại điện trường rất lớn, khiến cho các phân tử khí bị ion hoá kể cả khi nhiệt độ thấp.

• Catot khi bị dòng điện nung nóng đỏ sẽ có khả năng phát ra các electron. Hiện tượng này còn có tên gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt electron.

• Catôt không bị nung nóng đỏ nhưng lại có các ion dương (+) mang năng lượng lớn đập vào. Lúc này các electron có thể bật ra khỏi catot và trở thành hạt tải điện.

Ứng dụng dòng điện trong chất khí

Việc tạo ra dòng điện ở trong chất khí là một thành công lớn của khoa học. Hiện tượng này được ứng dụng như sau:

Tạo ra tia lửa điện 

Tia lửa điện là sự phóng điện tự lực trong chất khí ở giữa 2 điện cực khi điện trường đủ mạnh. Quá trình này sẽ biến các phân tử khí trung hòa thành các hạt bị ion hóa (hạt mang điện). Cụ thể là phân tử khí trung hòa sẽ chuyển thành ion dương (+) và electron tự do.

Điều kiện để tạo ra tia lửa điện là điện trường áp vào vượt quá cường độ đánh thủng điện môi của môi trường ngăn chặn. Trong không khí cường độ đánh thủng có giá trị khoảng 3.106 V/m ở mực nước biển. Đồng thời, để tạo ra tia lửa điện còn cần phải có môi trường cách điện. Ngoài ra, cần phải có điện tích tự do tồn tại giữa 2 điện cực.

Tia lửa điện được ứng dụng trong động cơ xăng để đốt xilanh, cụ thể là đối hỗn hợp xăng và không khí. Trong động cơ này, bộ phận có nhiệm vụ tạo ra tia lửa điện là bugi. Nó gồm 2 điện cực đặt sát nhau trên một khối sứ có khả năng cách điện.

Bên cạnh đó, nó còn được sử dụng trong công nghệ gia công. Phương pháp gia công bằng tia lửa điện là sử dụng các tia này phóng lên trên bề mặt cần gia công.

Tác động của tia này sẽ làm bề mặt gia công bốc hơi hoặc nóng chảy. Đó được gọi là quá trình điện nhiệt. Ngoài ra, tia lửa điện còn có thể giải thích hiện tượng sét xảy ra trong tự nhiên.

Tạo ra hồ quang điện

Hồ quang điện cũng là khái niệm để chỉ quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí. Tuy nhiên, đây là quá trình xảy ra trong điều kiện áp suất thường hoặc áp suất thấp. Chúng tồn tại giữa hai điện cực có hiệu điện thế không quá lớn.

Điều kiện để xảy ra quá trình hồ quang điện là dòng điện qua chất khí giữ được nhiệt độ cao của catot. Điều này sẽ giúp catốt phát ra electron nhờ hiện tượng phát xạ nhiệt electron. Đồng thời, giữa 2 điện cực có một điện trường đủ mạnh để ion hóa không khí.

Hồ quang điện rất hữu ích khi sử dụng trong quá trình luyện thép. Khi đó, bạn cần phải duy trì dòng hồ quang có độ cháy ổn định. Bên cạnh đó, nó còn được ứng dụng trong hàn điện, nấu chảy vật liệu, làm đèn chiếu sáng,…

Các thông tin trên đã làm rõ về cách tạo ra dòng điện trong chất khí. Đồng thời, nó cũng giúp ta hiểu chi tiết về bản chất và ứng dụng của nó trong cuộc sống. Hãy thường xuyên ghé thăm kienthucmaymoc.com để cập nhật những kiến thức mới nhất trong mọi lĩnh vực bạn nhé.