ظرفیت خازن و نحوه شارژ آن

خازن یک قطعه الکتریکی است که برای ذخیره بار الکتریکی و تخلیه آن در زمان مناسب کاربرد دارد. خازنها از دو صفحه موازی با یک ماده عایق میانی به نام

دی‌الکتریک ساخته شده‌اند.

خازنها در عناوین مختلف و اندازه‌های مختلفی در دسترس هستند، از خازن‌های کوچک مورد استفاده در مدارهای مجتمع ساده تا خازن‌های بزرگ استفاده شده در سیستم‌های پیشرفته. ویژگی جالب خازن‌ها این است که می‌توانند به صورت موقت انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و در زمان نیاز آن را تخلیه کنند. این ویژگی باعث شده تا خازنها در مدارهایی که نیاز به افزایش سرعت یا پایداری دارند، جایگاه ویژه‌ای داشته باشند.

در مدارهای الکترونیکی، خازن‌ها به عنوان فیلترها نیز استفاده می‌شوند تا نویزها را حذف کنند و سیگنال‌ها را تقویت کنند. همچنین، در انواع مختلف مدارها، خازن‌ها به عنوان عناصر ذخیره‌سازی برق استفاده می‌شوند.

خازن‌ها از نظر ظاهری به شکل‌ها و اندازه‌های مختلفی می‌آیند. این تنوع به مهندسان اجازه می‌دهد تا خازن‌ها را با توجه به نیازهای خاص هر مدار و کاربرد خاص طراحی کنند. با اینکه خازن به نظر یک عنصر الکتریکی ساده می‌آید، اما نقش بسیار مهم و حیاتی در عملکرد و کارایی انواع دستگاه‌ها و سیستم‌های الکتریکی دارد.

نحوه شارژ خازن:

خازنها به وسیله اعمال ولتاژ به صفحات آنها باردار می‌شوند. وقتی یک ولتاژ به خازن اعمال می‌شود، صفحه متصل به قطب مثبت باتری با بار مثبت باردار شده و صفحه مقابل آن که به قطب منفی متصل است بار منفی به خود می گیرد. این فرآیند به عنوان شارژ خازن شناخته می‌شود.

برای بارگذاری یک خازن، ولتاژ مثبت به یکی از صفحات آن و ولتاژ منفی به صفحه دیگر اعمال می‌شود. این ولتاژها باعث حرکت الکترون‌ها در دو صفحه شده و در نهایت یکی از صفحات خازن دارای بار الکتریکی مثبت شده و صفحه دیگر بار الکتریکی منفی خواهد گرفت.

زمانی که خازن به طور کامل شارژ شده و ولتاژ بر روی آن به اندازه مشخصی رسید، فرآیند شارژ خاتمه می‌یابد. در این حالت، خازن به عنوان یک منبع انرژی ذخیره شده عمل می‌کند و می‌تواند این انرژی را در زمان‌های بعدی تخلیه کند.

برای تخلیه یک خازن، معمولاً مدار به یک محدوده مقاومت (مثل یک مقاومت الکتریکی) وصل می‌شود. این مقاومت باعث تخلیه آرام و کند خازن می‌شود و انرژی درون خازن به تدریج تخلیه می‌شود.

ظرفیت خازن:

ظرفیت یا کاپاسیتانس یک خازن، میزان توانایی آن خازن در ذخیره و تخلیه بار الکتریکی است. این مقدار به واحد فاراد (Farad) اندازه گرفته می‌شود، اما اغلب از واحدهای کوچکتر مثل میکروفاراد ($\mu F$)، نانوفاراد ($nF$) یا پیکوفاراد ($pF$) استفاده می‌شود زیرا خازن‌ها معمولاً ظرفیت‌هایی در مقدار فاراد ندارند. (به جز خازن های جدیدی که از تکنولوژی های نانو در آنها استفاده شده، ابر خازن های با ظرفیت های 1 تا چند فاراد!)

مقدار ظرفیت خازن به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:

1. سطح صفحات (A): ظرفیت خازن مستقیماً به مساحت صفحات خازن وابسته است. افزایش سطح صفحات، ظرفیت خازن را افزایش می‌دهد.
2. فاصله بین صفحات (d): ظرفیت خازن با کاهش فاصله بین صفحات افزایش می‌یابد. این فاصله عمدتاً توسط ماده‌ای به نام دی‌الکتریک (مثل هوا یا مواد عایق دیگر) پر شده است.
3. ویژگی‌های ماده دی‌الکتریک: نوع ماده مورد استفاده به عنوان دی‌الکتریک نیز بر ظرفیت خازن تأثیرگذار است. برخی از مواد بهترین عایق الکتریکی را فراهم می‌کنند و بنابراین به خازنها کمک می‌کنند تا ظرفیت بهتری داشته باشند.

$C=\kappa \epsilon_{0}\frac{A}{d}$

معمولاً در مدارهای الکترونیکی، ما با خازن‌هایی با ظرفیت‌های کوچک تا متوسط (معمولاً در محدوده میکروفاراد یا نانوفاراد) سروکار داریم. اما در برخی از کاربردها، ممکن است نیاز به خازن‌های با ظرفیت بالاتر و یا حتی فارادی باشد، به عنوان مثال در ذخیره انرژی یا بخش‌های خاص از صنعت الکترونیک.

رابطه بین بار (شارژ) و اختلاف پتانسیل دو سر خازن به صورت رابطه زیر توصیف می‌شود. این رابطه می‌گوید که مقدار بار (Q) روی یک خازن برابر است حاصل ضرب ظرفیت خازن ضرب در اختلاف پتانسیل دوسر آن

$Q=CV$

در این رابطه:

1. Q نمایانگر بار خازن با واحد کولن است.
2. C نمایانگر ظرفیت خازن با واحد فاراد است.
3. V نمایانگر اختلاف پتانسیل دو سر خازن به واحد ولت است.

این رابطه نشان‌دهنده این است که چقدر بار می‌تواند در یک خازن ذخیره شود، وابسته به ظرفیت آن و اختلاف پتانسیل بین دو سر آن، به عبارت دیگر زمانی که اختلاف پتانسیل بین دو سر خازن افزایش یابد، بار ذخیره شده در خازن نیز افزایش خواهد یافت.

نحوه کار با شبیه ساز

پس از ورود به شبیه ساز می توانید با انتخاب نوع دی‌الکتریک و فاصله بین دو صفحه و مساحت صفحات به میزان دلخواه خازن خود را بسازید و با استفاده از رابطه اندازه محاسبه شده آن را ملاحظه بفرمایید. همچنین تاثیر تغییر هر یک از مقادیر فوق را بر ظرفیت خازن مشاهد کنید .

در مرحله بعد با کلیک بر روی دکمه سبز خازن در مدار قرار می‌گیرد و می توان با نوار لغزنده ولتاژ دو سر خازن را تغییر داده و اثر این عمل بر بار و ظرفیت خازن را مشاهده نمود. همچنین در همان حال که خازن به مولد وصل است می‌توان تغییراتی در ساختمان خازن ایجاد نمود و نحوه تغییرات بار ذخیره شده در خازن و ظرفیت خازن را به طور هم‌زمان مشاهده نمود.

در حالتی که خازن به مولد وصل است می‌توان میدان الکتریکی مابین صفحات خازن را با کلیک بر روی گزینه های مربوط به دی الکتریک مشاهده کرد و رفتار آن را در این میدان مورد بررسی قرار داد.

پس از کار با شبیه ساز میتوانید به پرسش های زیر پاسخ دهید:

1. ظرفیت خازن به چه عواملی بستگی دارد؟
2. اگر اختلاف پتانسیل دو سر خازنی را افزایش دهیم بار الکتریکی ذخیره شده در آن و ظرفیت خازن چه تغییری خواهد کرد؟
3. چند روش پیشنهاد دهید که بتوان به کمک آنها ظرفیت خازنی را افزایش دهیم.