خازن چیست و چگونه کار میکند؟ + انواع خازن و کاربرد آنها

در بیشتر روزها با نگاهی به آسمان می توانید تعدادی خازن بسیار بزرگ را ببینید که در بالای سر شما شناور هستند. خازن ها وسیله ذخیره انرژی هستند که کاربرد گسترده ای در تلویزیون ها، رادیوها و دیگر انواع تجهیزات الکترونیکی دارند. رادیو را روی یک ایستگاه تنظیم کنید، با دوربین دیجیتال یک عکس با فلاش بگیرید، یا کانال HDTV خود را عوض نمایید و به این طریق از خازن ها استفاده مفید کنید.

خازن هایی که در آسمان شناور هستند، با نام ابر بهتر شناخته می شوند و اگرچه در مقایسه با خازن هایی که ما در الکترونیک به کار می بریم غول آسا هستند، اما انرژی را دقیقاً با همان روش در خود ذخیره می کنند. بیایید با شرکت سنابرق که یکی از بهترین تولیدکنندگان درایو آسانسور می باشد، نگاهی نزدیکتر به خازن ها و نحوه عملکرد آن ها داشته باشیم!

 

خازن چیست؟

برای پاسخ به سوال خازن چیست، دو رسانا را در نظر بگیرید و بین آن ها یک عایق قرار دهید، به این ترتیب یک خازن ساخته اید: چیزی که قادر است انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. به افزودن انرژی الکتریکی به یک خازن، شارژ کردن گفته می شود؛ آزاد شدن انرژی از یک خازن نیز تخلیه کردن نامیده می شود. در واقع خازن به نوعی وسیله کوچک ذخیره انرژی گفته میشود که هر دو قطب آن در یک سمت از آن است.

 

 

خازن تا حدی شبیه به باتری است، اما وظیفه متفاوتی دارد. باتری از مواد شیمیایی استفاده می کنند تا انرژی الکتریکی را ذخیره کند و این انرژی ذخیره شده را با سرعت بسیار پائین در یک مدار آزاد می کند؛ گاهی (در مورد ساعت کوارتز) آزاد شدن انرژی باتری چندین سال طول می کشد.

خازن معمولاً انرژی خود را بسیار سریعتر، اکثراً در طول مدت چند ثانیه یا حتی کمتر از آن، آزاد می کند. مثلاً اگر بخواهید یک عکس با فلش بگیرید، دوربین شما باید انفجار بزرگی از نور را در کسری از ثانیه ایجاد کند. خازنی که به تفنگ فلاش متصل است با استفاده از انرژی باتری های دوربین، در چند ثانیه شارژ می شود. (شارژ شدن خازن طول می کشد و به همین دلیل است که معمولاً شما باید کمی صبر کنید) به محض اینکه خازن کاملاً شارژ شد، می تواند تمام انرژی خود را در چشم برهم زدنی از طریق لامپ فلاش زنون تخلیه کند. زاپ!

 

 

خازن ها در هر شکل و اندازه ای ساخته می شوند، اما اجزاء اصلی آن ها معمولاً ثابت است. دو رسانا (که عمدتاً به علل تاریخی، صفحه نامیده می شوند) و یک عایق بین آن ها (که دی الکتریک نامیده می شود) در خازن وجود دارد. دو صفحه درون خازن با سیم به دو اتصال الکتریکی در بخش خارجی، که پایانه نام دارند، متصل شده اند؛ این پایانه ها شبیه به دو پای فلزی لاغر هستند که می توانید آن ها را به مدار الکتریکی قلاب کنید.

شما می توانید خازن را با قرار دادن در یک مدار الکتریکی به راحتی شارژ کنید. هنگامی که منبع تغذیه را وصل می-کنید، بار الکتریکی به تدریج در صفحات افزایش می یابد. یکی از صفحات بار مثبت و صفحه دیگر، به همان مقدار بار مخالف (منفی) می گیرد. اگر منبع تغذیه را قطع کنید، خازن بار را در خود نگه می دارد (اگرچه ممکن است در گذر زمان مقداری از بار به آرامی تخلیه شود).

 

 

اما اگر همین خازن را به مدار ثانویه ای که دارای چیزی مانند اینورتر موتور الکتریکی یا لامپ فلاش است متصل کنید، بارها از خازن به سمت موتور یا لامپ جریان می یابند تا زمانی که باری روی صفحات باقی نماند.

اگرچه خازن ها به طور مؤثر فقط یک وظیفه (ذخیره سازی بار) را به عهده دارند، اما می توان آن ها را در همه انواع مدارهای الکتریکی به کار برد. خازن ها را می توان به عنوان وسیله زمان بندی (چون زمان مشخص و قابل پیشبینی طول می کشد تا خازن ها شارژ شوند)، به عنوان فیلتر (مدارهایی که فقط اجازه جریان یافتن سیگنال های خاصی را می دهند)، برای هموارسازی ولتاژ در مدارها، برای تنظیم موج (در رادیوها و تلویزیون ها) و برای مقاصد متنوع دیگر استفاده کرد. ابرخازن های بزرگ را می توان به جای باتری نیز استفاده کرد.

 

ظرفیت خازنی چیست؟

حال که فهمیدیم خازن چیست، بهتر است با ظرفیت خازنی آشنا شویم. مقدار انرژی الکتریکی که یک خازن می تواند ذخیره کند به ظرفیت آن بستگی دارد. ظرفیت یک خازن تا حدی شبیه به اندازه یک سطل است: هر چه سطل بزرگتر باشد، مقدار بیشتری آب می توان در آن ذخیره کرد؛ هر چه ظرفیت خازنی بیشتر باشد، خازن الکتریسیته بیشتری را می تواند در خود ذخیره کند.

 

 

 

سه راه برای افزایش ظرفیت یک خازن وجود دارد. یکی از راه ها افزایش ابعاد صفحات است. راه دیگر نزدیکتر کردن صفحات به یکدیگر است. راه سوم این است که دی الکتریک در حد امکان یک عایق خوب باشد. خازن ها دارای دی الکتریک هایی هستند که از انواع مختلفی از مواد ساخته شده اند. در رادیوهای ترانزیستوری، تنظیم موج با کمک یک خازن متغیر بزرگ که چیزی جز هوا بین صفحات آن نیست، انجام می گیرد. در اکثر مدارهای الکترونیکی، خازن ها قطعات آببندی شده ای هستند که دی الکتریک های آن ها از سرامیک هایی همچون میکا و شیشه، کاغذ مغروق در روغن یا پلاستیک هایی مانند مایلار ساخته می شوند.

 

چگونه ظرفیت خازنی را اندازه می گیریم؟

روش اندازه‌گیری ظرفیت خازن چیست؟ ظرفیت یک خازن با واحدی به نام فاراد (F) اندازه گیری می شود؛ این نامگذاری به خاطر مایکل فارادی ، پیشگام انگلیسی در صنعت برق است (1791-1867). یک فاراد، ظرفیت خازنی بسیار زیادی است؛ بنابراین، در عمل، ظرفیت اکثر خازن هایی که ما با آن ها سروکار داریم فقط کسری از فاراد است معمولاً با واحد میکروفاراد، یک میلیونیوم فاراد، با μF نمایش داده می شود.

 

 

نانوفاراد (یک هزار میلیونیوم فاراد، با nF نمایش داده می شود) و پیکوفاراد (یک میلیون میلیونیوم فاراد، با pF نمایش داده می شود) بیان می گردد. ابر خازن ها مقدار بیشتری بار در خود ذخیره می کنند، به طوری که گاهی به هزاران فاراد می رسد.

 

چرا خازن ها انرژی را ذخیره می کنند؟

اگر فکر می کنید خازن ها مرموز و عجیب هستند و به نظر شما غیرمنطقی می آیند، به جای خازن سعی کنید به گرانش فکر کنید. فرض کنید پائین تعدادی پله ایستاده اید و تصمیم دارید بالا رفتن را شروع کنید. شما باید در خلاف جهت جاذبه زمین که یک نیروی جذب کننده (کششی) است، بدن خود را بالا ببرید.

طبق قوانین فیزیک، باید «کار انجام دهید» (کار برای غلبه بر نیروی جاذبه) و انرژی مصرف کنید تا از نردبام بالا روید. انرژی که مصرف کرده اید از بین نمی رود، بلکه در بدن شما به صورت انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می شود، که شما می توانید از آن برای انجام کارهای دیگر (به عنوان مثال، برای سر خوردن تا رسیدن به سطح زمین) استفاده کنید.

 

 

آنچه که شما هنگام بالا رفتن از پله، نردبام، کوه یا هر چیز دیگری انجام می دهید، انجام کار برای غلبه بر میدان گرانشی زمین است. در یک خازن اتفاقی بسیار شبیه به این حالت رخ می دهد. اگر یک بار الکتریکی مثبت و یک بار الکتریکی منفی داشته باشید، این دو بار تمایل دارند مانند دو قطب مخالف آهنربا یا مانند بدن شما و زمین، یکدیگر را جذب کنند.

اگر بخواهید آن ها را جدا از هم نگه دارید، باید برای غلبه بر نیروی الکترواستاتیک «کار انجام دهید». در اینجا نیز، همانند بالا رفتن از پله، انرژی که مصرف کرده اید از بین نمی رود، بلکه توسط بارهایی که از هم جدا نگه داشته شده اند ذخیره می شود.

این دفعه، این انرژی را انرژی پتانسیل الکتریکی می نامیم. و اگر هنوز حدس نزده اید، این انرژی همان انرژی است که خازن ذخیره می کند. دو صفحه خازن حاوی بارهای مخالف هستند و فاصله ای که بین آن ها وجود دارد یک میدان الکتریکی تولید می کند. این، علت ذخیره شدن انرژی توسط خازن است.

 

چرا خازن ها دو صفحه دارند؟

همانطور که قبلاً دیدیم، خازن ها دارای دو صفحه رسانا هستند که توسط یک عایق از هم جدا شده اند.حال به این سوال که علت دو صفحه‌ای بودن خازن چیست، میپردازیم. هر چه صفحات بزرگتر باشند، و هر چه فاصله آن ها کمتر باشد، و هر چه عایق بین آن ها کیفیت بهتری داشته باشد، خازن می تواند بار بیشتری ذخیره کند. اما چرا همه این موارد درست است؟ چرا خازن ها فقط یک صفحه بزرگ ندارد؟ بیایید سعی کنیم یک توضیح متقاعد کننده و ساده بیابیم.

فرض کنید یک کره بزرگ فلزی دارید که روی یک عایق، به صورت پایه چوبی، قرار گرفته است. شما می توانید مقدار مشخصی بار الکتریکی روی کره ذخیره کنید؛ هر چه کره بزرگتر باشد (شعاع آن بیشتر باشد)، شما می توانید بار بیشتری ذخیره کنید و هر چه بار بیشتری ذخیره کنید، کره پتانسیل (ولتاژ) بالاتری خواهد داشت.

 

 

در نهایت، به نقطه ای خواهید رسید که حتی اگر به اندازه یک الکترون (کوچکترین واحد ممکن برای بار) بیشتر اضافه کنید، خازن دیگر کار نخواهد کرد. هوای اطراف آن شکسته شده و از یک عایق، تبدیل به یک رسانا می شود: بار الکتریکی ناگهان از هوا به زمین یا رسانای دیگری که در آن نزدیکی باشد، به صورت یک جرقه -یک جریان الکتریکی- همانند یک رعد و برق کوچک تخلیه می شود.

حداکثر مقدار باری که می توانید در یک کره ذخیره کنید همان چیزی است که از آن با نام ظرفیت یاد می کنید. ولتاژ (V)، بار الکتریکی (Q) و ظرفیت با یک رابطه بسیار ساده به هم مربوط می شوند: C=Q/V

بنابراین، به ازای یک ولتاژ مشخص و بدون شکسته شدن هوا و ایجاد جرقه، هر چه بار بیشتری بتوانید ذخیره کنید، مقدار ظرفیت هم بالاتر خواهد بود. اگر بتوانید بار بیشتری را روی کره ذخیره کنید، بدون اینکه به نقطه ایجاد جرقه برسید، به خوبی توانسته اید ظرفیت کره را افزایش دهید.

چگونه ممکن است شما این کار را انجام دهید؟ کره را فراموش کنید. فرض کنید یک صفحه فلزی تخت با حداکثر مقدار ممکن بار ذخیره شده روی آن دارید و ولتاژ صفحه را می دانید. اگر یک صفحه همسان دیگر در نزدیکی صفحه اول قرار دهید، متوجه خواهید شد که با همان ولتاژ، می توانید مقدار بیشتری بار روی صفحه اول ذخیره کنید. علت این امر آن است که صفحه اول میدان الکتریکی در اطراف خود ایجاد کرده که مقدار مساوی از بار مخالف را روی صفحه دوم «القا» می کند.

 

 

بنابراین، صفحه دوم، ولتاژ صفحه اول را کاهش می دهد. حال می توانیم بدون ایجاد جرقه، مقدار بیشتری بار روی صفحه اول ذخیره کنیم. این کار را می توانیم تا زمانی که ولتاژ به مقدار اصلی خود برسد ادامه دهیم. با ذخیره بار (Q) بیشتر دقیقاً در همان مقدار ولتاژ (V)، رابطه C=Q/V به ما می گوید که با اضافه کردن یک صفحه ثانویه به دستگاه ذخیره بار، ظرفیت خازنی آن را افزایش داده ایم. دقیقاً به همین دلیل است که خازن ها به جای یک صفحه، دو صفحه دارند. در عمل، صفحه اضافی تفاوت فاحشی را ایجاد می کند- به همین علت است که همه خازن ها دو صفحه دارند.

 

چگونه می توانیم ظرفیت خازنی را افزایش دهیم؟

روش افزایش ظرفیت یک خازن چیست؟ از لحاظ بصری واضح است که اگر صفحات را بزرگتر کنید، قادر به ذخیره بار بیشتری خواهید بود (دقیقاً همانند زمانی که کمد بزرگتری دارید و می توانید وسائل بیشتری در آن قرار دهید). پس، افزایش مساحت صفحات نیز ظرفیت خازنی را زیاد می کند. مورد دیگری که کمتر مشهود است این است که اگر فاصله بین صفحات کم شود، ظرفیت خازنی باز هم افزایش می یابد.

 

 

علت آن این است که هر چه فاصله بین صفحات کمتر باشد، تأثیر صفحات بر یکدیگر بیشتر خواهد شد. اگر صفحه دوم نزدیکتر شود، پتانسیل صفحه اول باز هم کاهش می یابد و این سبب افزایش ظرفیت خازنی می شود.

آخرین کاری که می توانیم برای افزایش ظرفیت خازنی انجام دهیم تغییر دی الکتریک (ماده ای که بین صفحات قرار دارد) است. عملکرد هوا بسیار خوب است، اما مواد دیگری هم هستند که بهتر عمل می کنند. شیشه حداقل 5 برابر بهتر از هواست.

به همین علت است که خازن های اولیه (شیشه های لیدن، از شیشه های معمولی به عنوان دی الکتریک استفاده می کند) خیلی خوب کار می کردند، اما سنگین و غیرکاربردی بودند و جاسازی آن ها در فضاهای کوچک دشوار است. کاغذ مومی تقریباً 4 برابر بهتر از هوا کار می کند، بسیار نازک و سبک است. به راحتی درون قطعات بزرگ قابل استفاده است و به آسانی لوله می شود.

همه این موارد این ماده را به یک دی الکتریک عالی و کاربردی تبدیل می کند. بهترین مواد دی الکتریک از ملکول های قطبی ساخته می شوند (موادی با مقدار بیشتری بار الکتریکی مثبت در یک سمت و مقدار بیشتری بار الکتریکی منفی در سمت دیگر).

هنگامی که چنین ماده ای در بین دو صفحه خازن می نشیند، ملکول های قطبی آن در خلاف جهت میدان الکتریکی منظم می شوند و به این ترتیب، به طور مؤثری میدان الکتریکی را کاهش می دهند. این امر سبب کاهش پتانسیل روی صفحات و همانند قبل، افزایش ظرفیت خازنی می شود.

 

 

از لحاظ نظری، آب که در حقیقت از ملکول های ریز قطبی تشکیل شده است، می تواند یک دی الکتریک عالی باشد؛ تقریباً 80 برابر بهتر از هوا. اگرچه در عمل تا این اندازه خوب کار نمی کند (نشت می کند و تخلیه می شود، در دماهای خاص از حالت آب مایع به یخ یا بخار تبدیل می شود) و برای استفاده در خازن های واقعی مفید نیست.

 

چگونه خازن های ابری سبب رعد و برق می شوند؟

وقتی ابرها از آسمان عبور می کنند، قطعات یخ موجود در آن ها با هوا سایش پیدا کرده و دارای بارهای الکتریکی استاتیک می شوند- درست مثل زمانی که بادکنک را به بلوز خود مالش می دهید و بادکنک باردار می شود. وقتی قطعات کوچکتر یخ به سمت بالا می چرخند، روی ابر دارای بار مثبت می شود. هنگامی که قطعات سنگین تر یخ در پائین جمع می شوند، قسمت زیرین ابر دارای بار منفی می شود. با جدا شدن بارهای مثبت و منفی در ابر، یک نوع خازن متحرک ساخته می شود!

همچنان که ابر در هوا شناور است، بار الکتریکی موجود در آن، چیزهایی را که روی زمین زیر ابر است تحت تأثیر خود قرار می دهد. بار منفی بسیار زیادی که در قسمت زیرین ابر جمع شده، بارهای منفی را از اطراف خود دفع می کند، بنابراین، زمین دارای بار مثبت می شود. جدایش بارها میان قسمت زیرین ابر و زمین زیر آن به این معناست که این بخش از جو نیز، به طور مؤثری، تبدیل به یک خازن شده است.

با گذشت زمان، مقدار بسیار زیادی بار الکتریکی می تواند درون ابر جمع شود. اگر مقدار این بار واقعاً زیاد باشد، ابر مقدار زیادی انرژی پتانسیل الکتریکی به خود می گیرد (ولتاژ آن واقعاً بالاست). هنگامی که ولتاژ به یک سطح مشخص می رسد (گاهی به اندازه چند صد میلیون ولت)، هوا از یک عایق به یک رسانا تبدیل می شود و الکتریسیته، همانگونه که در سیم جاری می شود، در هوا نیز جریان می یابد.

به این ترتیب، یک جرقه  بزرگ شکل می گیرد که با نام رعد و برق بهتر شناخته می شود. ابر همانند تفنگ فلاش در دوربین رفتار می کند: مقدار زیادی انرژی الکتریکی که درون «خازن» آن جمع شده است، در یک لحظه تخلیه شده و به یک فلاش از نور تبدیل می گردد.

 

 

 

 

چه کسی خازن ها را اختراع کرد؟

در اینجا مختصری از لحظات کلیدی را در تاریخچه خازن ها بیان می کنیم:

1672: اوتو فون گوریک (1602-1686) «ماشینی» را توسعه داد که با مالش آن می توانست بار الکتریکی استاتیک ذخیره کند. کره گوگردی که به دور یک میله آهنی می چرخد؛ این در واقع یک خازن بدوی است.

1745: ایوالد گئورگ فون کلیست و پیتر ون موشنبروک (از شهر لیدن هلند) در فعالیت های جداگانه کشف کردند که چگونه می توان بار الکتریکی را با استفاده از یک ظرف شیشه ای که قطعات فلزی به آن متصل شده است ذخیره کرد. کشیش و فیزیکدان فرانسوی ابی نولت (1700- 1770) نام این ظرف را شیشه لیدن گذاشت و این ابداع به عنوان یکی از مهمترین ابزار تحقیق در خصوص الکتریسیته بود تا زمانی که باتری ها توسعه یافتند.

در یکی از آزمایش های معروف نولت 180 سرباز شرکت داشتند؛ آن ها دست یکدیگر را گرفته بودند و اولین نفر شیشه لیدن شارژ شده را لمس می کرد، به این ترتیب، آخرین نفری که مدار را تکمیل می کرد شوک الکتریکی شگفت آوری را حس می نمود!

 

 

1740: دانشمند و سیاستمدار آمریکایی، بنجامین فرانکلین (1706-1790) آزمایش هایی را با وصل کردن خازن های شیشه لیدن به صورت سری انجام داد؛ در حالی که شهردار و فیزیکدان لهستانی، دنیل گرالاث (1708-1767) و یوهان هاینریش وینکلر آلمانی (1703-1770) این تحقیقات را در حالت اتصال موازی انجام دادند. هر سه این افراد ادعا می کنند که اولین خازن باتری را بر مبنای شیشه های لیدن متصل به هم ساخته اند.

1800: فیزیکدان ایتالیایی (و مخترع باتری) الساندرو ولتا (1745-1827) واژه (گیج کننده ی) «چگالنده» را برای دستگاه ذخیره بار ابداع کرد. امروزه، هنوز هم گاهی خازن ها را با نام چگالنده می شناسند؛ اگرچه اکنون این واژه تا حد زیادی لطف خود را از دست داده است.

1896: مبتکر آلمانی کارول پولاک (معادل انگلیسی «چارلز پولاک») (1859-1928) خازن های الکترولیتی را با استفاده از الکترولیت های مایع ابداع کرد. کار او بر اساس تحقیقات قبلی الکتروشیمیایی ابزارساز فرانسوی، اوژن دوکرت (1844-1915) بود.

 

 

 

1909: مبتکر آمریکایی ویلیام دوبیلیر (1888-1969) خازن های فشرده را با استفاده از میکا به عنوان دی الکتریک سرامیکی توسعه داد. طبق پاپیولار ساینس (دسامبر 1921، صفحه 29)، این ابداع درخشان سودآوری بیش از 1500000 دلار برای او داشت.

 

مقاله پیشنهادی: درایو موتور الکتریکی

 

در این مقاله به موضوع خازن چیست و چگونه کار میکند پرداختیم و تمام تلاش خود را کردیم تا به تمامی سوالات شما در خصوص انواع خازن، کاربرد خازن و… پاسخ دهیم. خوشحال می‌شویم نظرات شما را در خصوص استفاده از انواع خازن