خازن چیست - قسمت اول

خازن ها از کاربردی ترین قطعات الکتریکی می باشند که می توان به واسطه آن ها انرژی الکتریکی را به صورت موقت ذخیره سازی نمود . این قطعات کاربردی از دو صفحه رسانا با سطح مقطع مشخص تشکیل شده اند که این دو صفحه با فاصله ای مناسب از یکدیگر قرار گرفته اند . با اتصال خازن به یک منبع انرژی الکتریکی مانند باتری ، الکترون ها به کمک اختلاف پتانسیل باتری بر روی یکی از صفحات خازن جمع می شوند و به همین دلیل الکترون های موجود بر روی صفحه دیگر خازن ، جذب قطب مثبت باتری می شوند . در این حالت یک صفحه خازن دارای بار منفی بیشتری نسبت به صفحه دیگر است که با جدا کردن خازن از باتری ، این اختلاف بار الکتریک بر روی صفحه خازن باقی خواهد ماند .

بسته به ابعاد صفحات ، فاصله آن ها از یکدیگر و عایقی که بین دو صفحه خازن قرار می گیرد ، میزان بار الکتریکی ذخیره شده بر روی صفحات خازن به ازای یک اختلاف  پتانسیل مشخص و ثابت ، تغییر می کند که این باعث به وجود آمدن پارامتر جدیدی به نام ظرفیت خازن می شود .

ظرفیت یک خازن ، بسیار وابسته به نوع ساخت و موادی که در ساخت خازن به کار می رود دارد و طبق رابطه زیر بدست می آید .

در رابطه فوق ، A سطح مقطع صفحات خازن ، d فاصله دو صفحه از یکدیگر و K ثابت دی الکتریک است . ظرفیت خازن با C نشان داده می شود و واحد آن به افتخار دانشمند بزرگ مایکل فارادی ، فاراد نام گرفته است . برای محاسبه ضریب K می توان از رابطه زیر استفاده نمود .

در رابطه فوق ε_0 را ثابت گذردهی الکتریکی خلا نامیم و مقدار آن برابر است با 8.85 در ده به توان منفی 12 است .

در صورتی که در بین صفحات خازن از عایق خاصی استفاده نشود و جز هوا چیزی وجود نداشته باشد مقدار ε  برابر 1 است و در صورت استفاده از عایق های مناسب که در قسمت های بعدی این مقاله به آن ها اشاره خواهد شد ، مقدار آن بیشتر از 1 خواهد شد که این امر موجب افزایش ظرفیت خازن می شود .

همچنین می توان ظرفیت خازن را به کمک رابطه زیر نیز محاصبه نمود .

همانطور که از رابطه فوق مشخص است ، ظرفیت خازن ، نسبت بار ذخیره شده بر روی خازن به اختلاف پتانسیل اعمال شده به آن می باشد . این رابطه مشخص می کند که بار الکتریکی ذخیره شده بر روی یک خازن 2 فارادی که به اختلاف پتانسیل 12 ولت وصل شده ، بسیار بیشتر از بار خازن 1 فارادی متصل شده به همین ولتاژ است .

شکل دیگر رابطه فوق به صورت زیر نوشته می شود که با توجه به این که مقدار ظرفیت یک خازن عدد ثابتی است ، در صورت شارژ خازن و جدا نمودن آن از باتری ، در دو سر خازن اختلاف پتانسیل الکتریک وجود خواهد داشت و این اختلاف پتانسیل تا زمانی که خازن شارژ است باقی خواهد ماند .

مقدار این اختلاف پتانسیل از رابطه زیر محاسبه می شود .

همچنین لازم به ذکر است که واحد فاراد بسیار بزرگ بوده و عملا برای سنجش ظرفیت خازن از واحد های کوچکتر میلی فاراد ، میکرو فاراد ، نانو فاراد و پیکو فاراد استفاده می شود که  مطابق رابطه زیر هر میلی فاراد 1000 برابر میکرو فاراد و هر میکرو فاراد 1000 برابر نانو فاراد است . پیکو فاراد نیز واحد بسیار کوچکی است که 1000 برابر کوچکتر از نانو فاراد است .

خازن ها ، قطعات بسیار کاربردی در علم برق و الکترونیک هستند و می توان از آن ها در بسیاری از مدارت مانند سیستم های صوتی ، مبدل های برق شهر ( باتری ) ، مدارت فرستنده و گیرنده مخابراتی ، نوسان ساز ها و ... استفاده نمود . همچنین یکی از قطعاتی که بسیار در کنار خازن مورد استفاده قرار می گیرد ، مقاومت است که طی یک مقاله دیگر به برسی آن خواهیم پرداخت . مقاومت ها به دلیل خاصیت محدود کننده جریان ، باعث می شوند تا روند شارژ خازن ها کند تر پیش برود که این خاصیت دارای کاربرد فراوانی در طراحی مدارات الکتریکی و الکترونیک است .

همچنین با اتصال دو سر یک خازن شارژ شده به یک مقاومت ، می توان شارژ ذخیره شده در خازن را تخلیه نمود . این کار به این صورت اتفاق می افتد که با اتصال مقاومت به دو سر خازن ، یک مسیر برای حرکت الکترون ها از یک صفحه خازن به صفحه دیگر محیا می شود که باعث می شود با گذشت زمانی مشخص ، بار موجود بر روی هر دو صفحه خازن با یکدیگر برابر و هم علامت شود .

یکی از مهم ترین ویژگی های خازن جلوگیری از عبور جریان مستقیم است که مطابق توضیحات فوق ، پس از اتصال یک باتری که نوعی منبع جریان مستقیم است به یک خازن ، الکترون ها حرکت کرده و بر روی یک صفحه خازن جمع می شوند که این امر در زمان کوتاهی اتفاق می افتد و پس از آن خازن کاملا شارژ شده و دیگر الکترونی در مدار حرکت نخواهد کرد و در اصل جریان مدار که همان حرکت جهت دار الکترون ها است برابر با صفر می شود . تمامی اتفاقات فوق در بازه زمانی کوتاهی اتفاق می افتد .

اما با اتصال منبع جریان متناوب به خازن مانند برق شهر ، پس از گذشت زمانی ، خازن در یک جهت شارژ خواهد شد و بعد از آن جهت یا پلاریته منبع تغییر می کند و جریان از سوی دیگر در مدار جاری می شود که این امر موجب شارژ شدن خازن در جهت دیگر می شود . تغییر پلاریته یا جهت منبع از خواص جریان متناوب است و باعث می شود جریان متناوب به صورت مداوم در مدار برقرار شود .

این مقاله قسمت اول از سری مقالات معرفی قطعه خازن است که برای دسترسی به قسمت های دیگر می توانید از لینک های زیر استفاده کنید . همچنین بستیوال مقالاتی را نیز در زمینه معرفی قطعه الکتریکی مقاومت نوشته که می توانید با مراجعه به لینک مقاومت چیست - قسمت اول به آن دسترسی پیدا کنید . با بستیوال بهترین ها را دنبال کنید .

خازن چیست - قسمت دوم - انرژی ذخیره شده در خازن و روش اتصال خازن ها به یکدیگر

خازن چیست - قسمت سوم - انواع خازن های موجود در بازار و کاربرد آن ها

خازن چیست - قسمت چهارم - روش خواندن مقدار ظرفیت خازن از روی کد های عددی