خازن تخت: قلب تپندهٔ دنیای الکترونیک
خازن چیست و چگونه کار می‌کند؟
یک خازن را می‌توان مانند یک باتری بسیار سریع اما با ظرفیت بسیار کمتر در نظر گرفت. کار اصلی آن ذخیره‌سازی موقت بار الکتریکی2 و سپس آزاد کردن آن در زمانی کوتاه است. تصور کنید یک سطل دارید که می‌تواند آب (بار الکتریکی) را در خود نگه دارد. خازن نیز دقیقاً همین کار را با الکتریسیته انجام می‌دهد.
ساده‌ترین نوع خازن، خازن تخت است که از دو صفحهٔ فلزی موازی (معمولاً از جنس مس یا آلومینیوم) تشکیل شده است. بین این دو صفحه یک عایق الکتریکی به نام دی‌الکتریک3 (مانند هوا، کاغذ، پلاستیک یا سرامیک) قرار دارد. هنگامی که دو صفحه را به دو سر یک باتری وصل می‌کنیم، صفحه‌ای که به قطب مثبت باتری متصل است، الکترون‌های خود را از دست داده و بار مثبت پیدا می‌کند و صفحهٔ مقابل، الکترون‌های اضافی دریافت کرده و بار منفی پیدا می‌کند. این بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند، اما به دلیل وجود دی‌الکتریک در میان آن‌ها، نمی‌توانند به هم برسند و بنابراین بارها در صفحات ذخیره می‌شوند.
C ظرفیت خازن (فاراد)،
κ ثابت دی‌الکتریک (بدون واحد)،
ε₀ گذردهی خلأ (ثابت جهانی)،
A مساحت هر یک از صفحات (متر مربع)،
d فاصله بین دو صفحه (متر) است.
عوامل مؤثر بر ظرفیت خازن تخت
ظرفیت خازن4 به ما می‌گوید که یک خازن چقدر بار الکتریکی می‌تواند در خود نگه دارد. این ظرفیت به سه عامل اصلی وابسته است که در جدول زیر به طور خلاصه آورده شده‌اند:
| عامل | تأثیر بر ظرفیت | مثال کاربردی |
|---|---|---|
| مساحت صفحات (A) | با افزایش مساحت، ظرفیت افزایش می‌یابد. | خازن‌هایی با صفحات بزرگ‌تر در سیستم‌های صوتی خودرو برای تأمین توان لحظه‌ای بالا استفاده می‌شوند. |
| فاصله بین صفحات (d) | با افزایش فاصله، ظرفیت کاهش می‌یابد. | در سنسورهای لمسی، فاصلهٔ صفحات با فشار انگشت تغییر می‌کند و این تغییر ظرفیت، موقعیت لمس را تشخیص می‌دهد. |
| جنس دی‌الکتریک (κ) | استفاده از دی‌الکتریک با ثابت بالاتر، ظرفیت را به طور چشمگیر افزایش می‌دهد. | خازن‌های سرامیکی به دلیل ثابت دی‌الکتریک بالا، در مدارهای فرکانس بالا و فشرده استفاده می‌شوند. |
برای درک بهتر، یک ساندویچ را در نظر بگیرید. نان‌ها نقش صفحات هادی و مواد داخل آن نقش دی‌الکتریک را بازی می‌کنند. اگر نان‌ها بزرگ‌تر باشند (افزایش A)، فضای بیشتری برای مواد داخلی دارید (ظرفیت بیشتر). اگر نان‌ها به هم نزدیک‌تر باشند (کاهش d)، ساندویچ فشرده‌تر و پرحجم‌تر می‌شود (ظرفیت بیشتر). و اگر به جای کاهو از یک مادهٔ غلیظ‌تر استفاده کنید (افزایش κ)، باز هم ساندویچ پرحجم‌تر می‌شود.
خازن تخت در عمل: از فلش دوربین تا صفحه‌های لمسی
شاید جالب باشد که بدانید خازن‌های تخت به صورت مستقیم یا با اصول مشابه، در بسیاری از وسایل اطراف ما حضور دارند:
فلش دوربین عکاسی: در اینجا خازن نقش یک منبع ذخیره‌سازی انرژی سریع را بازی می‌کند. باتری دوربین به آرامی خازن را پر می‌کند، اما هنگامی که دکمهٔ شاتر زده می‌شود، خازن تمام انرژی ذخیره شده را در یک لحظهٔ بسیار کوتاه به لامپ فلش می‌دهد و نور شدیدی تولید می‌کند.
صفحه‌های لمسی (تاچ‌اسکرین): بسیاری از صفحه‌های لمسی از شبکه‌ای از خازن‌های کوچک استفاده می‌کنند. انگشت شما هنگام لمس، میدان الکتریکی یکی از این خازن‌ها را تغییر می‌دهد و در نتیجه ظرفیت آن تغییر می‌کند. دستگاه با اندازه‌گیری این تغییر ظرفیت، محل دقیق لمس شما را تشخیص می‌دهد.
پالسی‌سازها (Oscillators) و فیلترهای الکترونیکی: در کنار سیم‌پیچ‌ها یا مقاومت‌ها، خازن‌ها برای تولید امواج با فرکانس‌های خاص (مثل امواج رادیویی) یا برای حذف نویز از سیگنال‌ها استفاده می‌شوند. رادیو، تلویزیون و تلفن‌همراه شما پر از چنین مدارهایی هستند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. باتری‌ها انرژی را از طریق واکنش‌های شیمیایی تولید و برای مدت طولانی‌تری ذخیره می‌کنند. اما خازن‌ها انرژی الکتریکی را فقط ذخیره می‌کنند و آن را بسیار سریع‌تر (در کسری از ثانیه) آزاد می‌نمایند. باتری مانند یک کوله‌پشتی بزرگ آب است که برای سفرهای طولانی می‌برید، اما خازن مانند یک فنجان است که می‌توانید آن را سریع پر کنید و سریع خالی کنید.
پاسخ: در این حالت یک اتصال کوتاه رخ می‌دهد. بارهای ذخیره شده در صفحات (الکترون‌های اضافی در صفحهٔ منفی) به سرعت از طریق سیم به سمت صفحهٔ مثبت جاری می‌شوند تا اختلاف پتانسیل بین دو صفحه را به صفر برسانند. این جریان سریع می‌تواند جرقه تولید کند. این اصل در اجاق‌های جرقه‌ای و شمع‌های خودرو استفاده می‌شود.
پاسخ: واحد اصلی ظرفیت خازن، فاراد5 (نماد: F) است. اما یک فاراد واحد بسیار بزرگی است. در عمل از واحدهای کوچک‌تری مانند میکروفاراد (μF) (یک میلیونیم فاراد)، نانوفاراد (nF) (یک میلیاردم فاراد) و پیکوفاراد (pF) (یک تریلیونم فاراد) استفاده می‌شود.
پاورقی
1خازن تخت (Parallel-plate Capacitor): خازنی متشکل از دو صفحهٔ هادی موازی که توسط یک عایق (دی‌الکتریک) از هم جدا شده‌اند.
2بار الکتریکی (Electric Charge): یک ویژگی فیزیکی ذرات زیراتمی است که باعث می‌شود در حضور میدان الکترومغناطیسی، نیرو تجربه کنند.
3دی‌الکتریک (Dielectric): یک مادهٔ عایق که وقتی بین صفحات خازن قرار می‌گیرد، ظرفیت آن را افزایش می‌دهد.
4ظرفیت خازن (Capacitance): معیاری برای سنجش توانایی یک خازن در ذخیره‌سازی بار الکتریکی.
5فاراد (Farad): واحد SI ظرفیت الکتریکی، به نام مایکل فارادی، فیزیکدان بزرگ انگلیسی نام‌گذاری شده است.