مقدمه ­ای بر خازن ­ها

دقیقا مشابه مقاومت­، خازن­، که گاهی کندانسوراطلاق می­شود، یک وسیله ساده غیرفعال است که برای ذخیره الکتریسیته استفاده می­شود. خازن جزئی است که توانایی یا ظرفیت ذخیره انرژی به شکل بار الکتریکی را دارد که در طول صفحات خود اختلاف پتانسیل(ولتاژ استاتیک) ایجاد می­کند، بسیار شبیه به یک باتری کوچک شارژپذیر.

انواع بسیار متفاوتی از خازن ­ها از دانه­ های بسیار کوچک که در مدارهای رزونانس استفاده می­شوند تا خازن­های با ضریب توان بالا وجود دارد، اما همه آنها کار مشابهی انجام می­دهند، بار ذخیره می­کنند.

یک خازن، در شکل اولیه خوداز دو یا تعداد بیشتری صفحات رسانای(فلزی) موازی تشکیل شده است که باهم در تماس نیستند، اما بوسیله هوا یا برخی اشکال از مواد عایق خوب مثل کاغذ، میکا، سرامیک، پلاستیک یا برخی اشکال ژل مایع همانطور که در خازن­های الکترولیت استفاده می­شود، از نظر الکتریکی جدا شده­اند. لایه عایق بین صفحات یک خازن عمدتا دی الکتریک نامیده می­شود.

یک خازن متداول

به سبب این لایه عایق، جریان مستقیم نمی­تواند در طول خازن عبور کند چون مسدود می­شوددرعوضیک ولتاژ سراسر صفحات در قالب بار الکتریکیایجاد می­شود.

صفحات فلزی رسانای یک خازن می­توانند مربعی، دایروی یا مستطیل شکل یا می­توانند استوانه­ای یا کروی شکل با شکل، اندازه و ساختار عمومیخازن با صفحات موازی باشندکه به کاربرد آن و نرخ ولتاژ بستگی دارد.

زمانیکه در یک جریان مستقیم یا مدار DC استفاده شد، بار خازن با ولتاژ تغذیه شده افزایش می­یابد اما جریان بار در امتداد آن مسدود می­شود چون دی الکتریک خازن نارساناست و اساسا عایق است. اما، هنگامیکه یک خازن به جریان متناوب یا مدارAC متصل ­شود، عبور جریان اتفاق می­افتد تا مستقیم از خازن با مقاومت کم یا بدون مقاومت عبور کند.

دو نوع بارالکتریکی وجود دارد، بار مثبت در قالب پروتون­ها و بار منفی درقالب الکترون­ها. هنگامیکه ولتاژ مستقیم در طول خازن استفاده ­شود، بار مثبت به­سرعت روی یک صفحه تجمع می­یابد درحالیکه بار منفی متناظر روی صفحه دیگر تجمع می­یابد. به ازای هر ذره بار مثبت که از یک صفحه آزاد می­شود یک بار هم علامت از صفحه منفی جدا می­شود.

سپس صفحات با بارخنثیباقی می­مانند و یک اختلاف پتانسیل ناشی از این بار بین دو صفحه ایجاد می­شود. در ابتدا که خازن به شرایط حالت پایدار می­رسد جریان الکتریکی در طول خود خازن یا مدار اطراف بدلیل خصوصیات عایق دی الکتریک استفاده شده برای جدا کردن صفحاتقادر نیست عبور کند.

جریان الکترون­ها روی صفحات بعنوانجریان شارژ خازن شناخته می­شود که ادامه می­یابد تا زمانیکه ولتاژ هر دو صفحه (و از اینرو خازن) برابر با ولتاژ بکار رفته شود. در این زمانگفته می­شود که خازن با الکترون­ها کاملا شارژ شده است. قدرت یا میزان این جریان شارژ هنگامیکه صفحات کاملا دشارژ هستند( شرایط اولیه)در مقدار ماکزیمم خود می­باشد و به آرامی به مقدار صفر کاهش می­یابد چون صفحات شارژ می­شوند تا اختلاف پتانسیل در میان صفحات خازن با ولتاژ منبع برابر شود.

مقدار اختلاف پتانسیل ایجاد شده در خازن به مقدار بار انباشته شده روی صفحات بوسیله کاری که توسط ولتاژ منبع انجام می­شود و همچنین مقدار ظرفیت خازن بستگی دارد که در زیر نشان داده شده است.

ساختار خازن

خازن با صفحات موازی ساده­ترین شکل خازن است. این می­تواند با دو صفحه فلزی یا فویل متالیزه در فاصله موازی از یکدیگر با ظرفیت خازنی فاراد ساخته شود، که بوسیله مساحت صفحات رسانا و فاصله جدایی بین آنها تعیین می­شوند. تغییر هریک از این دو مقدار، میزان ظرفیت را تغییر داده و این اساس عملکرد خازن­های مختلف را تشکیل می­دهد.

همچنین چون خازن­ها انرژی الکترون­ها را در قالب بار الکتریکی روی صفحات ذخیره می­کنند، خازن با صفحات بزرگتر و یا فواصل کوتاهتر آنها بار بیشتریبه ازای هر ولتاژ عبوری سراسر صفحات آن ذخیره می­کند. به عبارت دیگر صفحات بزرگتر، فواصل کوتاهتر، ظرفیت بیشتر.

بوسیله کاربرد یک ولتاژ برای خازن و اندازه­گیری بار روی صفحات، نسبت بار Q به ولتاژ V مقدار ظرفیت خازن را خواهد داد و بنابراین بصورت C=Q/V داده شده است این معادله می­تواند همچنین بازارایی شود تا فرمول ساده­تری برای مقدار بار روی صفحات بصورت Q=C*V بدهد.

اگرچه ما گفته بودیم که بار روی صفحات یک خازن ذخیره شده است، این صحیح­تر است که گفته شود انرژی باندازه بار در یک میدان الکترواستاتیک بین دو صفحه ذخیره شده است. هنگامیکه یک جریان الکتریکی در یک خازن عبور می­کند، شارژ آن افزایش می­یابد، میدان الکتریکی قویتر می­شود چون انرژی بیشتری ذخیره می­کند.

به همین ترتیب هنگامیکه بار خازن خارج می­شود، یعنی در حین تخلیه آن، اختلاف پتانسیل بین صفحات کاهش می­یابد و میدان الکترواستاتیک ضعیف می­شود چون انرژی صفحات خارج می­شود.

خصوصیت ذخیره بار روی صفحات خازن در قالب یک میدان الکترواستاتیک ظرفیت خازن نامیده می­شود. علاوه بر آن ظرفیت خصوصیت جلوگیری از تغییرات ولتاژ سراسر خازن نیز می­باشد.

ظرفیت خازن

ظرفیت یک خصوصیت الکتریکی خازن است و میزان توانایی خازن برای ذخیره بار الکتریکی روی دو صفحه با واحد فاراد است(به اختصار F) که بعد از فیزیکدان انگلیسی مایکل فارادی نامگذاری شده است.

خازن دارای ظرفیت 1 فاراد است هنگامیکه بار 1 کولنبوسیله ولتاژ 1 ولت روی صفحات ذخیره شده است. ظرفیت، C همیشه مثبت است و واحدهای منفی ندارد. اما فاراد چنانچه به تنهایی بکار رود واحد بسیار بزرگی برای اندازه­گیریاست بنابراینعمدتا مضرب­هایفاراد برای مثال میکروفاراد، نانو فاراد و پیکو فاراد استفاده می­شود.