خازن چیست؟

سلام دوستان من. امروز یک روز زیباست و من بار دیگر با یک موضوع آموزشی جدید اینجا هستم. در پست‌های قبلی با دیود و ترانزیستور آشنا شدیم و امروز به سراغ قطعه‌ای رفته ایم که اگرچه همه نمی‌توانند با آن ارتباط برقرار کنند، اما من تمام تلاش خود را می‌کنم تا این کار را تا حد ممکن عملی کنم.

امروز ما به دنبال خازن‌ها خواهیم‌بود و تقریبا تمام آنچه را که باید درمورد خازن‌ها بدانید، در اینجا به شما گفته خواهدشد. کاملاً مطمئن هستم که بسیاری از ما از قبل می‌دانیم که خازن چیست و با آن آشنا هستیم. این درحالی است که بسیاری از ما هیچ ایده‌ای نداریم و احتمالاً برای اولین بار است که درمورد آن می‌شنویم. خوب جای نگرانی نیست. من به شما می‌گویم که خازن چیست.

در زیر تصویری از خازن‌های مختلف نشان داده شده است.

capacitor

خازن چیست؟

خازن، یک عنصر الکتریکی غیرفعال با دو ترمینال است که انرژی را در یک میدان الکتریکی ذخیره می‌کند تا در مواقع لزوم در اختیار مدار قرار دهد. منظور من از غیرفعال، یک عنصری است که انرژی مصرف می‌کند اما تولید نمی‌کند. یک مدار الکتریکی که فقط از جزء غیرفعال تشکیل شده‌است، مدار غیرفعال نامیده می‌شود و دقیقاً همان خصوصیات یک عنصر غیرفعال را خواهدداشت. در مقابل عناصر غیرفعال، عناصر فعال یا active قرار دارند.

خازن‌ها در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و از لحاظ شکل، اندازه و نوع، متفاوت هستند. بیشتر خازن‌ها حاوی رساناهای الکتریکی هستند. این رساناها غالباً به شکل صفحات فلزی می‌باشند که توسط محیطی به‌نام دی‌الکتریک جدا شده‌اند. هادی فلزی ممکن است یک فویل، فیلم نازک یا حتی یک الکترولیت (فلز مایع) باشد.

هنگام صحبت درمورد خازن‌ها، دو مفهوم اهمیت پیدا می‌کند که آشنایی با آن دو به درک بهتر عملکرد خازن در مدار کمک می‌کند. این کلمات عبارت‌اند از:

۱.     دی‌الکتریک (Dielectric)

۲.     ظرفیت (Capacitance)

 

دی‌الکتریک چیست؟

دی‌الکتریک‌ها موادی هستند که رسانایی بسیار ضعیفی دارند اما به‌طور موثری از میدان‌های الکترواستاتیک پشتیبانی می‌کنند. دی‌الکتریک‌ها برای افزایش ظرفیت شارژ خازن (یعنی توانایی خازن در ذخیره‌ی بارها) استفاده می‌شوند. در عمل، بیشتر مواد دی‌الکتریک جامد هستند. دی‌الکتریک‌ها از مواد سرامیکی، میکا، شیشه، پلاستیک و اکسید فلزات مختلف ساخته می‌شوند. البته تنها به این مواد محدود نمی‌شوند. زیرا برخی از مایعات و گازها نیز می‌توانند به‌عنوان مواد دی‌الکتریک، عملکرد خوبی داشته باشند. الکترولیت‌های خشک، نوع عالی‌ای از دی‌الکتریک‌ها هستند که در ساخت خازن‌های متغیر استفاده می‌شوند. از این خازن‌ها به عنوان یک جزء در ساخت رادیو برای تنظیم فرکانس استفاده می‌شود. هر زمان که در رادیوی خود به دنبال کانال یا فرکانس هستید که با یک دکمه تنظیم شده‌است، فقط بدانید که جزء واقعی که در انتخاب فرکانس کار می‌کند، خازن متغیر است.

 

آب مقطر همچنین یک دی‌الکتریک مناسب است و خلاء (vacuum) یک دی‌الکتریک فوق‌العاده کارآمد است. تمام این مواد رسانا نیستند اما توانایی ذخیره‌ی بارهای الکترواستاتیک را دارند.

capacitor

موقیت دی‌الکتریک در یک خازن سرامیکی

ویژگی مهم دی‌الکتریک همان‌طور که در بالا گفته شد، توانایی پشتیبانی از یک میدان الکترواستاتیک می‌باشد. در دی‌الکتریک مقدار اندکی از انرژی به صورت گرما تلف می‌شود که به آن افت دی‌الکتریک می‌گوییم. هرچه افت دی‌الکتریک کمتر باشد موثرتر خواهدشد.

مفهوم مهم دیگر درمورد دی‌الکتریک‌ها، ثابت دی‌الکتریک نام دارد. این مفهوم، نشان دهنده‌ی میزان تمرکز ماده در خطوط الکترواستاتیک شار مغناطیسی است. خلاء کامل، هوای خشک و اکثر گازهای خشک و خالص مانند هلیوم و نیتروژن، مقدار ثابت دی‌الکتریک کمی دارند و برخی مواد دیگر مانند سرامیک، آب مقطر، کاغذ، میکا، پلی‌اتیلن و شیشه ثابت دی‌الکتریک مشخصی دارند که مقدار آن تغیر نمی‌کند. اکسید فلز ثابت دی‌الکتریک بسیار بالایی دارد. به این معنی که خطوط الکترواستاتیک شار را بهتر از بقیه متمرکز می‌‌کند.

 

ظرفیت چیست؟

ظرفیت خازن توانایی خازن در ذخیره‌ی بار الکتریکی است. در اینجا نوع خاصی از ظرفیت وجود دارد:

 self capacitance 

هر جسمی که بتواند از طریق شار الکتریکی، شارژ شود، دارای self capacitance می‌باشد و ماده‌ای با self capacitance بزرگ، بار الکتریکی بیشتری را در ولتاژ معین نگه‌ می‌دارد. ظرفیت به عنوان نسبت بار الکتریکی هر هادی به اختلاف پتانسیل دو سر آن تعریف می‌شود. واحد ظرفیت در سیستم بین‌المللی واحدها (SI)، فاراد (F) است که به صورت یک کولن بر هر ولت تعریف می‌شود. به‌طور معمول از خازن‌هایی با ظرفیتی در محدوده‌ی پیکو فاراد (pF) تا میلی فاراد (mF) در الکترونیک استفاده می‌شود.

ظرفیت خازن متناسب با سطح صفحات (رساناها) است و با شکاف بین آن‌ها رابطه‌ی عکس دارد. در عمل، دی‌الکتریک بین صفحات، مقدار کمی جریان نشتی را عبور می‌دهد. با افزایش ولتاژ، مقدار نشتی جریان افزایش پیدا می‌کند تا به یک ولتاژ مشخص که به آن ولتاژ شکست گفته می‌شود، برسد. پس از آن خاصیت عایق بودن دی‌الکتریک از بین می‌رود و به یک رسانای کامل تبدیل می‌شود.

تاریخچه‌ی خازن‌

درواقع، کمی سردرگمی وجود دارد که چه کسی خازن را اختراع کرده‌است. در نوامبر ۱۷۴۵، گفته شد که دانشمند آلمانی به نام ewald georg von Kleist خازن را اختراع کرده‌است. چند ماه بعد، یک استاد هلندی در دانشگاه لیدن، به نام Pieter van musschenbroek با دستگاهی مشابه نام خود را در میان مخترعان خازن قرار داد و آن را "لیدن شیشه" نامید که به عنوان اولین خازن به حساب می‌آمد. متاسفانه Kleist هیچ ثبت یا یادداشت مفصلی درباره‌ی اختراع خود نداشت و از این رو  اغلب او را نادیده می‌گرفتند و به عنوان یکی از عوامل اختراع درنظر گرفته نمی‌شد؛ اما با گذشت زمان، مردم او و فعالیت‌هایش را معتبر دانستند. زیرا مشخص شد که تحقیقات آن‌ها از یک‌دیگر مستقل و صرفا یک تصادف علمی بوده‌است.

لیدن-شیشه

لیدن شیشه

سطح-مقطع-لیدن-شیشه

سطح مقطع لیدن شیشه

 

سال‌ها گذشت و دانشمندی به‌نام benjamine franklin در آزمایش خود با برق تصمیم گرفت با لیدن شیشه کار کند. وی متوجه شد که یک قطعه شیشه‌ی تخت درست مانند لیدن شیشه کار می‌کند. این کشف به ساخت اولین خازن Flat منجر شد. پس از سال‌ها یک شیمیدان انگلیسی به نام micheal faraday اولین کاربرد عملی خازن را هنگام تلاش برای ذخیره‌ی الکترون‌های استفاده نشده در آزمایشات خود، آغاز کرد. این امر منجر به اختراع اولین خازن قابل استفاده از بشکه‌های بزرگ نفتی شد. در نتیجه‌ی موفقیت‌های وی در زمینه‌ی برق، واحد اندازه‌گیری ظرفیت با نام فاراد شناخته شد.

 

انواع خازن‌

خازن‌ها انواع مختلفی دارند اما همه‌ی آن‌ها را در اینجا ذکر نخواهیم‌کرد. من فقط موارد بسیار مهم را لیست می‌کنم.

 

خازن‌های سرامیکی

خازن‌های سرامیکی با استفاده از دی‌الکتریک سرامیکی ساخته می‌شوند و نام آن‌ها از اینجا گرفته شده‌است. اگرچه انواع مختلفی از خازن‌های سرامیکی وجود دارد، اما همه‌ی خازن‌های سرامیکی به دلیل ضریب اُفت کم و پایداری مناسب شناخته شده‌اند.

خازن-سرامیکی

خازن‌های سرامیکی

 خازن‌های سرامیکی معمولا در ظرفیت پیکو فاراد درجه‌بندی می‌شوند. آن‌ها همچنین قطبی نیستند؛ به این معنی که پایانه‌ی مثبت و منفی مشخصی ندارند.

 

خازن‌های الکترولیتی

این خازن‌ها، خازن‌های قطبی هستند. به این معنا که فقط می‌توانند به روش خاصی در مدار قرار گیرند و در غیر این صورت منجر به انفجار خازن می‌شود. آن‌ها اغلب با ولتاژ داده شده درجه‌بندی می‌شوند و توصیه می‌شود که شما در محدوده‌ی ولتاژ داده شده کار کنید. زیرا هر ولتاژ بالاتر از ولتاژ داده شده، منجر به آسیب خازن می‌شود.

خازن-الکترولیتی

خازن الکترولیتی

خازن‌های الکترولیتی به دلیل سطح بالای ظرفیت در واحد حجم، دارای مقادیر بیشتر از ۱ میکرو فاراد هستند. این خازن‌ها دامنه‌ی تحمل دما‌ی وسیعی از ۵۰- تا ۱۰۰+ سانتی‌گراد دارند.

 

خازن‌های فیلم پلاستیک

این خازن‌ها غیر قطبی هستند و می‌توانند برای اهداف مختلفی مورد استفاده قرار گیرند. عملکرد آن‌ها در فرکانس‌های بالاست اما در مقایسه با خازن‌های سرامیکی، پایین‌تر است. دی‌الکتریک مورد استفاده در این خازن‌ها، همان فیلم پلاستیکی است که شامل پلی‌کربنات‌ها، پلی‌استرها، پلی‌استایرن‌ها و ... می‌باشند. آن‌ها اغلب در محدوده‌ی پیکو فاراد درجه‌بندی می‌شوند.

خازن-فیلم-پلاستیکی

خازن فیلم پلاستیکی

خازن‌های تانتالیم

این نوع از خازن‌ها، پلاریزه هستند و به دلیل اندازه‌ی کوچک، در اکثر مواقع به‌ جای خازن الکترولیتی استفاده می‌شوند. درست مانند خازن‌های الکترولیتی، در برابر بایاس معکوس (قراردادن قطب‌ها به اشتباه) تحملی ندارند و درصورت انجام این کار منفجر می‌شوند.

خازن-تانتالیم

خازن تانتالیم

خازن‌های میکا

خازن‌های میکا، گروهی از خازن‌های غیرقطبی هستند. دی‌الکتریک مورد استفاده، فیلم میکا می‌باشد. آن‌ها ظرفیت بسیار کمی دارند و معمولا در هزاران پیکو فاراد درجه‌بندی می‌شوند. این روزها غالبا مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، اما اگر به پایداری بالایی نیاز باشد، به سراغ خازن میکا بروید. زیرا از ثبات بسیار بالایی برخوردار هستند.

خازن-میکا

خازن میکا

خازن‌های سوپرکاپ

این خازن‌ها، خازن‌های بزرگ قطبی هستند و اغلب برای برنامه‌هایی که اساساً با حافظه ارتباط دارند، استفاده می‌شوند. اگرچه پاسخ فرکانس آن‌ها بسیار کم است، اما دارای ظرفیت خازنی بسیار بالا در حدود ۱ فاراد  و بالاتر هستند. بنابراین نمی‌توان از آن‌ها برای دستگاه‌های با فرکانس بالا استفاده کرد. به این معنا که از پایداری کمی برخوردار هستند.

خازن-سوپرکاپ

خازن‌های سوپرکاپ

تا حالا به این موضوع دقت کرده‌اید هنگامی که در خانه یک لامپ فلوئورسنت فشرده (CFL)را خاموش می‌کنید، قبل از خاموش شدن کامل، چراغ برای مدتی روشن می‌ماند؟! خب این خازن مسئول آن است. به دلیل قابلیت ذخیره‌سازی حافظه، از آن‌ها در تجهیزات تاخیر زمانی نیز استفاده می‌شود.

 

امیدوارم این مقاله توانسته باشد به پرسش‌های شما پاسخ بدهد.

 

کپی شد!

ارتباط با ما

اصفهان ، میدان استقلال ، خیابان آزادگان ، دانشگاه صنعتی اصفهان
+ 98 916 223 0679
info@mehsa.ir