Dòng điện trong chất khí

Ống phóng tia âm cực - thiết bị thường dùng trong tivi.

Các chất khí ở áp suất khí quyển là những chất cách điện tốt. Trong các chất khí đó, hầu như không có các phần tử mang điện tích. Chất khí sẽ trở nên dẫn điện, nếu ta tạo ra trong đó những ion (ion hóa chất khí). Tác động nhiệt (sự tạo thành các ion trong ngọn lửa), sự chiếu rọi chất khí bằng những tia tử ngoại, tia rơngen hay tia gamma sẽ tạo nên tính dẫn điện không tự duy trì. Các hạt mang điện được điện trường tăng tốc va chạm với các phân tử trung hòa của chất khí (thường thường là khí loãng) thì chúng sẽ ion hóa các phân tử này tạo nên tính dẫn điện tự duy trì. Khi đó không cần phải có nguồn ion hóa phụ. Tất cả những thứ trên có thể tạo nên dòng điện trong chất khí.

Lý thuyết

Sự ion hóa chất khí và sự tái hợp các ion

Khi có nguồn ion hóa, trong chất khí có hai quá trình ngược nhau xảy ra sự ion hóa, nghĩa là sự phân rã của các phân tử trung hòa thành các phần tử mang điện (các ion) và sự tái hợp, nghĩa là sự tạo thành các phân tử trung hòa từ các ion tích điện khác dấu nhau. Số $\Delta n^{'}$ ion tái hợp thành các phân tử tỉ lệ với số các ion dương cũng như số các ion âm, nghĩa là $\Delta n^{'}=\gamma n_{o}^{2}$, trong đó $n_{o}$ là số các ion dương (hay âm).

Nếu số $\Delta n$ ion xuất hiện bằng số các ion tái hợp $\Delta n=\gamma n_{o}^{2}$ thì có sự cân bằng xảy ra. Số các ion cùng dấu trong một đơn vị thể tích là $n_{o}={\sqrt {\tfrac {\Delta n}{\gamma }}}$ trong đó $\gamma$ là hệ số tái hợp.

Độ linh động của các ion

Độ linh động của ion khí là đại lượng $u$, về trị số bằng vận tốc của ion ứng với cường độ điện trường bằng đơn vị. Người ta phân biệt ra các độ linh động $u_{+}$ của các ion dương và $u_{-}$ của các ion âm. Vận tốc $v$ trong chuyển động có trật tự của ion tỉ lệ với cường độ điện trường $E$: $v+=u_{+}E$, $v_{-}=u_{-}E$.

Định luật Ohm

Nếu mật độ dòng $j$ nhỏ đến mức có thể bỏ qua được số các ion do dòng điện mang đi so với số các ion tái hợp, thì số các ion $n_{o}$ trong một đơn vị thể tích của khối khí có thể coi là không đổi. Khi đó mật độ dòng bằng: $j=en_{0}(v_{+}+v_{-})$$->$ $j=en_{0}(u_{+}+u_{-})E$.

Đẳng thức sau cùng biểu diễn định luật Ohm. Định luật Ohm trong sự dẫn điện không tự duy trì của chất khí chỉ đúng khi mật độ dòng nhỏ. Trong trường hợp khi mật độ dòng lớn đên mức sự giảm các ion chỉ được xác định bởi quá trình trung hòa chúng ở các điện cực, còn sự tái hợp không kịp xảy ra, thì dòng sẽ không phụ thuộc vào hiệu điện thế và được gọi là dòng bão hòa.

Mối quan hệ của vôn-ampe trong sự phóng điện không tự duy trì được thể hiện như đồ thị. Đoạn bậc nhất ban đầu của đồ thị ứng với miền ứng dụng được định luật Ohm. Khi cường độ điện trường tăng, định luật Ohm không còn đúng nữa. Điều này tương ứng với đoạn cong của đồ thị. Sau đó có xảy ra sự bão hòa, quá trình này tương ứng với đoạn đồ thị song song với trục hoành. Ứng với các hiệu điện thế lớn, đồ thị bắt đầu đi đột ngột lên phía trên. Sự tăng kiểu thác của dòng điện có liên quan với các quá trình ion hóa do va chạm. Các electron được điện trường tăng tốc bắt đầu ion hóa những phân tử trung hòa của khí. Sau đó có xảy ra sự đánh thủng điện chất khí.

Định luật Xtôlêtôv

Đối với chất khí đang nghiên cứu, dòng điện cực đại bao giờ cũng quan sát với cùng một tỉ số giữa cường độ điện trường $E$ và áp suất $p$: ${\tfrac {E}{p}}=C$, trong đó $C$là hằng số Xtôlêtôv.

Định luật Paschen

Sự đánh thủng chất khí xảy ra khi đối với mỗi chất khí ứng với một tỉ số giữa cường độ điện trường và áp suất xác định đặc trưng của mỗi chất khí. Hai định luật được giải thích như sau: khi áp suất nhỏ, đoạn đường tự do lớn, do đó các thác electron được tạo thành ứng với các cường độ của trường nhỏ. Sự tạo thành các thác electron và ion và cả bứt các electron thứ cấp ra khỏi catốt bởi các ion tại các cường độ vào cỡ 10000 $V/cm$trong chất khí có mật độ bình thường đều dẫn đến sự đánh thủng chất khí và chuyển sự phóng điện không tự duy trì thành sự phóng điện tự duy trì.

Sự phóng điện lạnh trong chất khí

Khi hạ áp suất ($10^{-3}$at) ở trong ống phóng điện chất khí người ta quan sát thấy sự phóng điện lạnh xảy ra trong trường hợp không có các nguồn ion hóa bên ngoài. Trong phần của ống kề sát anot có một lớp sáng dương, tiếp sau đó là khoảng tối Faraday, lớp catot thứ hai mỏng sáng chói, khoảng tối Crookes và hào quang bao quanh catot - lớp catot thứ nhất. Trong sự phóng điện lạnh, dưới ảnh hưởng bắn phá của các ion, catot trở thành nguồn phát các electron có xu hướng chạy về anot. Trong khoảng Crookes tương đối tối, vận tốc của các electron tăng nhanh. Trong lớp catot thứ hai, do sự va chạm của những electron với các phân tử trung hòa, vận tốc của các electron giảm dần. Vận tốc của các electron trong khoảng Faraday nhỏ hơn trong khoảng Crookes. Trong lớp catot thứ hai, có sự xuất hiện các ion dương, các ion này cần thiết để duy trì sự phóng điện. Lớp sáng dương đôi khi tách thành những dải sáng và tối xen kẽ nhau. Khi đó sự phóng điện được gọi là sự phóng điện thành lớp. Lớp sáng dương của sự phóng điện lạnh được dùng làm nguồn sáng trong các ống phóng điện chất khí chứa đầy khí trơ.

Sự phóng điện hồ quang

Hồ quang điện - một hình ảnh của hiện tượng phóng điện trong không khí.

Hồ quang điện được giáo sư V.V.Pêtrôv (1761-1834) khám phá ra vào năm 1802. Sự phóng điện hồ quang được tạo thành khi mật độ của dòng điện phóng lớn và được duy trì bởi sự phát xạ các electron từ catot bị nung nóng do các va chạm của những ion, cũng như bởi sự ion hóa do nhiệt độ cao. Ở áp suất khí quyển, mật độ dòng ở vết sáng âm cực đối với catot than bằng 470 $A/cm^{2}$, đối với catot sắt : 7200 $A/cm^{2}$, đối với catot thủy ngân : 4000 $A/cm^{2}$. Trong quá trình phóng điện, catot than sẽ nhọn ra, còn ở trên anot sẽ hình thành một cái hốc hồ quang dương. Nhiệt độ của miền lớp sáng dương bằng 6000 $K$ ở áp suất bình thường và đạt tới 10000 $K$ ở áp suất hàng trăm atmosphere. Khi tăng dòng điện, do sự tăng cường các quá trình phát xạ electron nhiệt và ion hóa nhiệt, tính dẫn điện của hồ quang sẽ tăng lên đột ngột, còn điện trở thì giảm đi. Ảnh hưởng của các điện tích không gian sẽ dẫn đến sự xuất hiện suất điện động $U_{ng}\thickapprox 10V$. Do đó khi tăng dòng $I$, hiệu điện thế ở các điện cực $U$ sẽ thay đổi theo định luật : $U=(a+U_{ng})+{\tfrac {b}{l}}$ đối với hồ quang có các điện cực bằng than.

Sự làm lạnh ngẫu nhiên khoảng phóng điện chất khí sẽ làm cho dòng điện giảm và tắt hồ quang. Để đảm bảo sự cháy ổn định một cách liên tục cho hồ quang, người ta đặt vào mạch ngoài một biến trở. Khi có sự giảm ngẫu nhiên của dòng điện ở trong hồ quang, điện áp ở trên điện trở giảm xuống. Khi điện áp đặt vào không đổi, điều đó sẽ làm tăng điện áp ở hồ quang.

Hồ quang điện được ứng dụng để thắp sáng ở trong các đèn hồ quang, các máy chiếu hồ quang và các lò hồ quang, ....

Các ứng dụng đầu tiên của hồ quang để thắp sáng đã được P.N.Iablôtskôv (1847-1894) và P.V.N.Tsikôlev (1815-1898) thực hiện. Để đảm bảo sự cháy ổn định cho hồ quang, Iablôtskôv dùng cách sắp xếp song song các điện cực bằng than (nến Iablôtskôv), còn Tsikôlev tạo ra một máy điều chỉnh vi sai tự động làm cho các cực than nóng cháy lại gần nhau. Sự hàn các kim loại bằng hồ quang điện lần đầu do nhà bác học Nga N.N.Benarđox (1812-1905) thực hiện và N.G.Xlavianôv (1854-1897) hoàn thiện đã được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật. Để nung nóng chảy các chất và để thực hiện các phản ứng hóa học ở các nhiệt độ cao người ta dùng các lò hồ quang điện.

Sự phóng điện hồ quang cũng được ứng dụng trong các máy chỉnh lưu thủy ngân.