خازن: مخزن کوچک انرژی الکتریکی
خازن چیست و چگونه کار میکند؟
تصور کنید دو صفحه فلزی موازی و رسانا در فاصله بسیار کمی از هم قرار دارند و بین آنها یک ماده عایق مثل پلاستیک، هوا یا سرامیک وجود دارد. این سادهترین شکل یک خازن است. وقتی این دو صفحه را به دو سر یک باتری وصل کنیم، صفحه متصل به قطب مثبت، الکترون از دست میدهد و بار مثبت میگیرد و صفحه متصل به قطب منفی، الکترون جذب کرده و بار منفی میگیرد.
این بارها، به دلیل وجود عایق بین صفحات، نمیتوانند به هم بپیوندند. بنابراین، یک میدان الکتریکی بین صفحات ایجاد میشود و انرژی در این میدان ذخیره میگردد. وقتی باتری را جدا کنیم، بارها (در خازن ایدهآل) روی صفحات باقی میمانند و انرژی ذخیره شده، تا زمانی که مداری برای تخلیه آن وجود داشته باشد، حفظ میشود. این دقیقاً شبیه به فنری است که فشرده شده و انرژی مکانیکی را در خود نگه میدارد.
انواع رایج خازن و ویژگیهای آنها
خازنها بر اساس جنس عایق بین صفحات (دیالکتریک5) و ساختارشان به انواع مختلفی تقسیم میشوند که هرکدام برای کاربرد خاصی مناسبترند.
| نوع خازن | دیالکتریک (عایق) | محدوده ظرفیت تقریبی | مزایا و کاربردهای اصلی |
|---|---|---|---|
| خازن سرامیکی | سرامیک | از 1pF تا 10µF | کوچک، ارزان، پایدار. در تقریباً تمام بردهای الکترونیکی مانند موبایل و رادیو استفاده میشود. |
| خازن الکترولیتی | اکسید فلز و مایع الکترولیت | از 0.1µF تا چندین F | ظرفیت بالا در حجم کم. دارای قطب مثبت و منفی. در منابع تغذیه برای یکسوسازی6 و صاف کردن ولتاژ کاربرد دارد. |
| خازن فیلمی | پلاستیک (پلیاستر، پلیپروپیلن) | از 100pF تا 100µF | دقت بالا، قابلیت اطمینان خوب. در مدارهای صوتی، فیلترها و زمانسنجها استفاده میشود. |
| سوپر خازن7 | الکترولیت و ساختار کربن فعال | چندین F تا هزاران F | ذخیره انرژی بسیار زیاد، عمر چرخهای بالا. در خودروهای برقی برای بازیابی ترمز، چراغهای اضطراری و سیستمهای پشتیبان. |
خازن در عمل: از فلاش دوربین تا کنترل برق شهر
حالا که با اصول و انواع خازن آشنا شدیم، ببینیم این قطعه در وسایل اطراف ما چه وظایفی بر عهده دارد. این مثالها به درک ملموستر کمک میکنند:
- فلاش دوربین عکاسی: یک خازن الکترولیتی با ظرفیت بالا در فلاش دوربین وجود دارد. وقتی دوربین روشن میشود، این خازن در مدت چند ثانیه از باتری دوربین شارژ میشود و انرژی زیادی را ذخیره میکند. در لحظه عکسبرداری، این انرژی به سرعت از طریق لامپ زنون فلاش تخلیه شده و نور شدید و کوتاهی برای عکس ایجاد میکند. باتری کوچک دوربین به تنهایی نمیتواند چنین جریان لحظهای بزرگی تولید کند.
- صافکننده ولتاژ در آداپتور موبایل: آداپتور (شارژر) ولتاژ متناوب برق شهر را به ولتاژ مستقیم پایین تبدیل میکند. اما این ولتاژ مستقیم اولیه، هنوز نوسانات ریزی دارد. یک یا چند خازن الکترولیتی بزرگ در مدار آداپتور، این نوسانات را جذب و ولتاژ خروجی را صاف و یکنواخت میکنند تا به موبایل شما آسیب نزند.
- مدارهای زمانبندی: در ساعتهای دیجیتال ساده، ریموت کنترل یا چراغ راهپله اتوماتیک، از ترکیب خازن و مقاومت برای ایجاد تاخیر زمانی استفاده میشود. سرعت شارژ و تخلیه خازن (که به ظرفیت آن و مقدار مقاومت مدار بستگی دارد) تعیینکننده مدت زمان تاخیر است. مثلاً وقتی دکمه ریموت را فشار میدهید، یک مدار زمانبندی با خازن، مدت زمان ارسال کد را کنترل میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
هر دو انرژی را ذخیره میکنند، اما روش ذخیرهسازی و کاربردشان متفاوت است. باتری انرژی را از طریق واکنش شیمیایی ذخیره و به آرامی آزاد میکند، بنابراین میتواند برای مدت طولانی (ساعتها) انرژی مداوم فراهم کند. خازن انرژی را در یک میدان الکترواستاتیک ذخیره میکند و میتواند آن را بسیار سریع (در کسری از ثانیه) شارژ و تخلیه کند، اما معمولاً انرژی کمتری نسبت به یک باتری همسایز خود نگه میدارد.
فاراد واحد بزرگی است. یک خازن 1F ساده با صفحات موازی و فاصله هوا، صفحاتی به مساحت چند کیلومتر مربع نیاز دارد! بنابراین در الکترونیک از واحدهای کوچکتر استفاده میشود:
1µF (میکروفاراد) = 0.000001 F
1nF (نانوفاراد) = 0.000000001 F
1pF (پیکوفاراد) = 0.000000000001 F
خازنهای موبایل در محدوده نانوفاراد و میکروفاراد هستند. خازنهای چند فارادی که امروزه دیده میشوند (سوپر خازنها) از تکنولوژی و مواد خاصی استفاده میکنند که سطح مؤثر صفحات را به طور فوقالعادهای افزایش میدهند.
بله، به ویژه برای خازنهای الکترولیتی که دارای قطب مثبت و منفی مشخصی هستند. اگر این خازنها در مدار معکوس وصل شوند یا ولتاژی بیشتر از حد درج شده روی بدنهشان به آنها اعمال شود، ممکن است به شدت گرم شده، باد کنند و حتی با صدای بلندی منفجر شوند. همیشه قبل از نصب، علامت (-) یا نوار رنگی روی بدنه خازن که نشاندهنده پایه منفی است را بررسی کنید.
پاورقی
1 خازن (Capacitor): قطعهای الکترونیکی با دو پایه که قابلیت ذخیرهسازی بار الکتریکی و انرژی در میدان الکترواستاتیک را دارد.
2 میدان الکتریکی (Electric Field): ناحیهای در اطراف بار الکتریکی که نیروی الکتریکی بر بارهای دیگر اعمال میکند.
3 کولن (Coulomb): واحد اندازهگیری بار الکتریکی. بار تقریبی 6.24 × 10^18 الکترون.
4 فاراد (Farad): واحد اندازهگیری ظرفیت الکتریکی. یک فاراد ظرفیت خازنی است که با اعمال یک ولت، یک کولن بار در آن ذخیره شود.
5 دیالکتریک (Dielectric): ماده عایقی که بین صفحات خازن قرار میگیرد و ظرفیت آن را افزایش میدهد.
6 یکسوسازی (Rectification): فرایند تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC).
7 سوپر خازن (Supercapacitor) یا خازن دو لایه الکتروشیمیایی (EDLC): نوعی خازن با چگالی انرژی بسیار بالا.
