خازن چیست و چگونه کار می کند؟ – به زبان ساده + فیلم آموزشی رایگان

در ابتدا تعریف خازن را بررسی می‌کنیم و نشان می‌دهیم که خازن چیست و چه اجزایی دارد. سپس کاربردهای آن را بیان می‌کنیم و نماد و نحوه نمایش آن را توضیح می‌دهیم. در انتهای مطلب نیز یاد می‌گیریم که محاسبات مربوط به خازن چیست و دی‌الکتریک‌ خازن‌ها را نیز در یک جدول آورده‌ایم.

خازن چیست و چه ساختاری دارد؟

ظرفیت یک خازن مسطح متناسب با اجزای آن و به صورت زیر است:

$$C= \varepsilon _{0} \dfrac{A}{d}$$

• $$C$$ : ظرفیت خازن
• $$\epsilon_0$$ : ثابت گذردهی
• $$A$$ : مساحت یکی از صفحات خازن
• $$d$$ : فاصله بین صفحات خازن

فیلم آموزش فیزیک الکتریسیته و مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

فضای بین صفحات خازن معمولا خالی است، اما در برخی از خازن‌ها بنا بر کاربرد از نوعی ماده عایق بین صفحات استفاده می‌شود که آن را دی‌الکتریک می‌نامیم. در بخش‌های بعدی دی‌الکتریک را بیشتر معرفی خواهیم کرد.

خازن چگونه کار می‌ کند؟

شارژ خازن

در بخش‌های قبل گفتیم که خازن چیست و چگونه کار می‌کند، اما در ادامه می‌خواهیم یکی از اصلی‌ترین تعریف‌ها یعنی شارژ خازن را بیان کنیم. وقتی خازن به اصطلاح شارژ می‌شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر صفحات خازن به وجود می‌آید و این اختلاف پتانسیل به صورت نمایی افزایش پیدا می‌کند تا هنگامی که با اختلاف پتانسیل منبع تغذیه برابر شود.

تخلیه خازن

اگر بارهای خازن شارژ شده‌ای را تخلیه کنیم، به اصطلاح خازن را دشارژ یا تخلیه کرده‌ایم.

در شکل بالا یک مدار با منبع تغذیه مستقیم و یک خازن و مقاومت داریم. در شکل چپ که کلید S در حالت ۱ قرار دارد، باتری در مدار متصل است و خازن در حال شارژ شدن است. در شکل راست که کلید S در حالت ۲ قرار داده شده است، اتصال باتری در مدار قطع می‌شود و در نتیجه بارهای خازن به وسیله مقاومت تخلیه «دشارژ» می‌شود.

شبیه ساز خازن

در شبیه ساز دانشگاه کلورادو که در ادامه آورده شده است، می‌توانید خازن‌های مختلف را بررسی کنید. در این شبیه ساز، امکان تغییر مواردی مانند ولتاژ باتری، سطح و فاصله صفحات و روند کاهش ولتاژ پس از تخلیه خازن وجود دارد.

انواع خازن

• شکل ساختاری
• دی‌الکتریک
• ظرفیت
• قطبش
• کاربرد

شکل ساختاری

ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی که کار اصلی خازن است به شکل ساختاری و اجزا خازن مانند؛ اندازه و جنس صفحات، فاصله آن‌ها از یکدیگر و همچنین اندازه و جنس دی‌الکتریک بستگی دارد. خازن‌ها را از نظر شکل ساختاری می‌توان به انواع زیر دسته‌بندی کرد:

• خازن مسطح
• خازن استوانه‌ای
• خازن کروی
• خازن رول شده

در ادامه این مطلب به معرفی بیشتر آن‌ها پرداخته خواهد شد.

دی الکتریک

در رابطه ظرفیت خازن‌هایی که دی‌الکتریک دارند ثابت دی‌الکتریک ($$\kappa$$) اضافه می‌شود در نتیجه رابطه ظرفیت خازن مسطح به شکل زیر خواهد بود:

$$C=\kappa \varepsilon _{0} \dfrac{A}{d}$$

انواع دی‌الکتریک‌ها به همراه مقدار ثابت $$\kappa$$ و قدرت دی‌الکتریک در جدول زیر به صورت اجمالی آمده است و در انتهای مطلب جدول کامل قرار دارد.

توجه کنید که ثابت دی‌الکتریک هوا بسیار به ثابت دی‌الکتریک خلا نزدیک است اما تفاوت آن‌ها در این است که اگر میدان الکتریکی (برای خازن مسطح $$E=V/d$$) خیلی بزرگ شود، هوا به رسانا تبدیل می‌شود. همچنین در جدول فوق قدرت دی‌الکتریک مواد مختلف با واحد ولت بر متر آورده شده است.

قطبیدگی مولکول‌های دی‌ الکتریک

همانطور که در شکل زیر ملاحظه می‌کنید، مولکول‌های ماده دی‌الکتریک که بین صفحات خازن قرار دارند بارهای آن‌ها از هم جدا شده‌اند. نیروی کولنی بین صفحه باردار خازن و نزدیکترین سر مولکول ماده دی‌الکتریک بسیار قوی است. به دلیل اینکه آنها بسیار به هم نزدیک هستند، بارهای بیشتری جذب صفحه خازن می‌شود.

میدان الکتریکی در دی‌ الکتریک

روش دیگری که باعث توجیه افزایش ظرفیت خازن به وسیله دی‌الکتریک می‌شود، میدان الکتریکی درون خازن است. در شکل زیر یک خازن با دی‌الکتریک با خطوط میدان الکتریکی درون آن را می‌بینید.

از آنجایی که خطوط میدان در دی‌الکتریک به بارهای موجود در آن ختم می‌شوند، تعداد کمتری از آنها از یک طرف خازن به طرف دیگر می‌روند. بنابراین، شدت میدان الکتریکی کمتر از آن چیزی است که اگر بین صفحات خلا وجود داشت، حتی اگر همان مقدار بار روی صفحات وجود داشته باشد. رابطه ولتاژ بین صفحات خازن به صورت زیر است:

$$V=Ed$$

اگر میدان الکتریکی کاهش پیدا کند، ولتاژ هم کاهش پیدا می‌کند. همچنین از رابطه ظرفیت خازن $$C=Q/V$$ چون ولتاژ با ظرفیت خازن رابطه معکوس دارد بنابراین هر چه ولتاژ کاهش پیدا کند، ظرفیت خازن افزایش پیدا می‌کند.

خازن‌ها می‌توان براساس ماده دی‌الکتریک دسته‌بندی کرد.

ظرفیت

قطبش

نوع دیگری از دسته‌بندی خازن‌ها براساس قطبیدگی آن‌ها است. خازن‌هایی که ناقطبی هستند قرارگیری پایه‌های آن‌ها در مدار هیچ تفاوتی ندارد ولی خازن‌هایی که قطبی هستند حتما باید پایه ‌آن‌ها منطبق با علامت ولتاژ منبع تغذیه باشد.

کاربرد

انتخاب خازن معمولا به کاربرد مدار بستگی اساس دارد. اینکه خازن چگونه در مدار استفاده شود و چه عملکردی داشته باشد نقش تعیین کننده‌ای دارد. بعضی خازن‌ها عملکرد بهتری نسبت به سایر خازن‌ها در برخی مدارها دارند. انتخاب درست خازن در طراحی مدار بسیار حائز اهمیت است.

کاربردهای خازن چیست؟

توضیح دادیم که انواع خازن چیست و بر چه اساسی می‌توانیم آن‌ها را دسته‌بندی کنیم اما باید به کاربردهای خازن نیز اشاره کنیم. خازن‌ها می‌توانند برای کاربردهای متفاوتی در مدارها مورد استفاده قرار گیرند. اگرچه اساس کار آن‌ها یکسان است ولی مشخصه‌های خازن تنوع زیادی در آن‌ها ایجاد کرده است. در این قسمت به معرفی کاربردهای خازن از جمله ذخیره و آزادسازی انرژی، صاف کردن سیگنال، جفت‌ کردن سیگنال، تجزیه سیگنال و هماهنگ‌سازی پرداخته خواهد شد. مدارهای مختلف، خازن‌هایی با ویژگی‌ها و مشخصه‌های متفاوتی از جمله جریان، ولتاژ، ظرفیت، دمای کار و غیره نیاز دارند.

ذخیره و آزادسازی انرژی

در این مورد خاص، خازن می‌تواند بار را در خود ذخیره کند و به مدت کوتاهی به عنوان منبع تغذیه عمل کند. برای مثال ابرخازن‌ها با ظرفیت چندین فاراد نسبت به باتری‌های قابل شارژ ارزان‌تر هستند و طول عمر بیشتری دارند البته حداکثر ولتاژ خروجی آن‌ها محدود است.

صاف کردن سیگنال

این همان خازن تجزیه (Decoupling) است، خازن صاف کننده معمولا در ارتباط با مدارها و سیستم های منبع تغذیه استفاده می‌شود. وقتی که یک منبع تغذیه یا سیگنال خطی از یک ترانسفورماتور و یک‌سوکننده عبور می‌کند، موج سیگنال خروجی صاف نیست و بین صفر و حداکثر ولتاژ متغیر است و شکل آن به صورت موج‌های نیم‌سینوسی هست که اگر به طور مستقیم به مدار وصل شود ناکارآمد خواهد بود درحالی که مدار به جریان مستقیم نیاز دارد. برای حل این مشکل یک خازن تفکیک کننده یا صاف کننده ولتاژ خروجی در مدار قرار می‌دهند.

در این کاربرد، با به حداکثر رسیدن ولتاژ خروجی خازن شارژ می‌شود و زمانی که ولتاژ یکسو کننده به کمتر از ولتاژ خازن برسد آنگاه خازن تخلیه می‌شود. به طور معمول خازن با ظرفیت زیادی برای تامین این جریان مورد نیاز است در نتیجه خازن‌های الکترولیتی مناسب‌ترین گزینه برای این نوع کاربرد هستند.

جفت کردن سیگنال (Coupling)

تجزیه سیگنال (Decoupling)

خازن تجزیه، یک قسمت از مدار را از بقیه جدا می‌کند. نویز تولید شده به وسیله سایر اجرا را از بین می‌برد. معمولا بین منبع تغذیه و زمین قرار می‌گیرد. برای فرکانس‌های بالاتر نام جایگزین آن، خازن کنارگذر است بخاطر اینکه یک میانبر از منبع تغذیه یا سایر اجزا مدار با امپدانس بالا است.

هماهنگ‌ سازی و زمان‌ بندی

در این کاربرد خازن با یک مقاومت یا یک القاگر در یک رزونانس یا مدار وابسته به زمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اینجا خازن ممکن است در مدار فیلتر، نوسانگر تنظیم شده یا در یک عنصر زمانبندی برای مدار الکترونیکی مانند a-stable ظاهر شود. زمان لازم برای شارژ و تخلیه خازن، تعیین کننده عملکرد مدار است. در این کاربرد خازن، دقت مهم است بنابراین مقاومت اولیه و پایداری دما خازن برای اطمینان از عملکرد آن در فرکانس مورد نظر مهم است. خازن‌هایی با دی‌الکتریک سرامیکی، فیلم پلاستیکی و نقره-میکا مورد استفاده در این کار هستند.

مشخصات خازن چیست؟

تا این بخش، یاد گرفتیم که کاربردهای خازن چیست و نقش آن را در مدار توضیح دادیم. در این بخش به معرفی مشخصات اصلی خازن‌ها مانند ظرفیت، ولتاژ، جریان، دما و غیره می‌پردازیم که در همه انواع خازن‌ها مشترک هستند.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه در فرادرس

کلیک کنید

ظرفیت خازن

ظزفیت خازن عبارت است از باز ذخیره شده در خازن به ازای یک ولت اختلاف پتانسیل که این رابطه را به صورت زیر می‌نویسیم:

$$Q=C \times V$$

عناصر رابطه فوق عبارتند از:

• Q: بار الکتریکی که واحد آن کولن است.
• C: ظرفیت خازن که واحد آن فاراد است.
• V: اختلاف پتانسیل که واحد آن ولت است.

ظرفیت خازن را با C نمایش می‌دهند و واحد اندازه‌گیری آن فاراد است. مهم‌ترین مشخصه خازن، ظرفیت آن است. ظرفیت خازن می‌تواند با تغییر فرکانس عوض شود که با تغییر دما نیز همراه است. خازن‌های سرامیکی کوچک می‌توانند ظرفیتی تا اندازه ۱ پیکوفاراد داشته باشند در حالی که ظرفیت خازن‌های بزرگ الکترولیتی می‌تواند تا ۱ فاراد باشد.

ولتاژ خازن

ولتاژ کاری یکی دیگر از مشخصه‌های مهم خازن است که عبارت است از بیشترین ولتاژ پیوسته قابل تحمل که از منبع با جریان مستقیم یا متناوب که از خازن عبور می‌کند نامیده می‌شود که معمولا ولتاژ مستقیم را روی بدنه خازن درج می‌کنند.

جریان نشتی خازن

دی‌الکتریکی که در داخل خازن برای جدا کردن صفحات رسانا استفاده می‌شود یک عایق کامل نیست، در نتیجه یک جریان بسیار کوچک (نشتی) از طریق دی‌الکتریک جریان می‌یابد. این به دلیل تأثیر میدان‌های الکتریکی قدرتمندی است که توسط بار روی صفحات رسانا هنگامی که ولتاژ منبع ثابت اعمال می‌شود، ایجاد می‌کند. این جریان مستقیم که در محدوده نانو آمپر (nA) قرار دارد را جریان نشتی خازن گویند. نشت جریان نتیجه عبور فیزیکی الکترون‌ها از طریق محیط دی‌الکتریک در اطراف لبه‌های آن است و اگر ولتاژ منبع قطع شود، به مرور خازن را به طور کامل تخلیه می‌کند. اگر نشتی بسیار کم باشد مانند خازن‌ با دی‌الکتریک فیلم یا فویل به آن مقاومت عایق گویند $$(R_{p})$$ و می‌توان مانند شکل زیر آن را مثل یک مقاومت مجزا به صورت موازی با خازن نشان داد.

نشتی جریان در خازن با دی‌الکتریک الکترولیتی زیاد است به طوری که جریان الکترون‌ها مستقیم از ماده دی‌الکتریک عبور می‌کند (در مرتبه ۵ تا ۲۰ میکروآمپر به ازای هر میکروفاراد). همچنین نشتی جریان در خازن با دی‌الکتریک الکترولیتی آلومینیوم با افزایش دما، زیاد می‌شود. نشت جریان خازن یک عامل مهم در تقویت کننده جفت‌شده یا مدارهای منبع تغذیه است. بهترین انتخاب خازن برای کاربرد جفت کردن سیگنال و ذخیره‌سازی انرژی از نوع دی‌الکتریک با تفلون و سایر مواد پلاستیکی است زیرا در آن‌ها ضریب دی‌الکتریک کمتر موجب مقاومت عایق بیشتری می‌شود.

قطبیدگی

قطبیدگی خازن معمولا به خازن‌ها از نوع الکترولیت به خصوص نوع آلومینیومی آن اطلاق می‌شود. خازن‌های الکترولیتی قطبیده هستند به این علت که پایه‌های خازن باید کاملا منطبق بر علامت ولتاژ منبع تغذیه باشد. اگر پایه‌های خازن قطبیده را اشتباه در مدار قرار دهیم باعث از بین رفتن لایه اکسید شده در خازن و در نتیجه سوختن آن خواهیم شد.

دما

تغییرات دما در اطراف خازن بر مقدار ظرفیت خازن تأثیر می‌گذارد زیرا خواص دی‌الکتریک تغییر می‌کند. اگر دمای محیط اطراف خازن بیش از حد گرم یا سرد شود، مقدار ظرفیت خازن ممکن است به اندازه‌ای تغییر کند که عملکرد صحیح مدار را تحت تاثیر قرار دهد. دمای کاری معمول برای اکثر خازن‌ها با ولتاژ معین بین ۳۰- تا ۱۲۵+ درجه سانتی‌گراد است ولی دما برای خازن با دی‌الکتریک پلاستیکی  نباید بیشتر از ۷۰+ درجه سانتی‌گراد شود.

تلورانس

مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها نیز دارای یک مقاومت درونی یا تلورانس (Tolerance) هستند که با نماد مثبت و منفی نمایش داده می‌شوند که برای خازن‌ها با ظرفیت کم به شکل (pF±) و برای خازن‌ها با ظرفیت بالا به صورت (%±) نمایش می‌دهند. تلورانس به معنی میزان تغییر مجاز ظرفیت اسمی خازن است و معمولا بین $$-20٪$$ تا $$+80٪$$ می‌تواند باشد. برای مثال یک خازن که ظرفیت اسمی آن ۱۰۰ میکروفاراد با تلورانس $$\pm20٪$$ است می‌تواند ظرفیت عملی در محدوده $$80\mu F$$ تا $$120\mu F$$ داشته باشد.

نماد خازن و نمایش آن

حال که می‌دانید اجزا و کاربرد خازن چیست، در این بخش نماد شماتیک خازن در مدار را معرفی خواهیم کرد.

در شکل فوق نماد یک خازن ساده در مدار را مشاهده می‌کنید. به خطوط موازی توجه کنید که نشانگر صفحات هم‌اندازه و موازی در خازن است.

در شکل بالا نماد یک خازن قطبی الکترولیتی را می‌بینید. به دلیل اهمیت قطبیدگی، پایه مثبت خازن در سمت راست و قسمت منحنی در چپ نشان‌دهنده پایه منفی خازن است.

در شکل فوق یک خازن با ظرفیت متغیر نشان داده شده است.

محاسبات مربوط به خازن چیست؟

به دلیل اینکه فاصله بین صفحات خازن بسیار کم است بنابراین می‌توان برای بدست آوردن ظرفیت خازن اثر لبه را نادیده بگیریم و خطوط میدان الکتریکی بین صفحات خازن را فقط خطوط صاف در نظر بگیریم.

خازن مسطح

چگالی بار سطحی را به صورت زیر تعریف می‌کنیم:

$$\sigma = \frac{Q}{A}.$$

که در رابطه فوق $$\sigma$$، نماد چگالی بار سطحی است.

رابطه میدان الکتریکی به شکل زیر است:

$$E = \frac{\sigma}{\epsilon_0},$$

• $$E$$ : میدان الکتریکی یکنواخت بین صفحات خازن
• $$\sigma$$ : چگالی بار سطحی
• $$\epsilon_0$$ : ثابت گذردهی خلا برابر $$\epsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12}F/m$$

همچنین برای رابطه اختلاف پتانسیل داریم:

$$V = Ed = \frac{\sigma d}{\epsilon_0} = \frac{Qd}{\epsilon_0A}.$$

برای محاسبه ظرفیت خازن مسطح از رابطه زیر استفاده می‌کنیم: