ظرفیت۱: توانایی خازن برای ذخیره‌ی بار الکتریکی
خازن چیست و چگونه کار می‌کند؟
یک خازن وسیله‌ای الکترونیکی است که می‌تواند بار الکتریکی را در خود ذخیره کند. ساده‌ترین نوع خازن از دو صفحه‌ی فلزی موازی تشکیل شده که یک عایق (مانند هوا، کاغذ یا پلاستیک) بین آن‌ها قرار دارد. این عایق دی‌الکتریک۲ نامیده می‌شود.
وقتی یک باتری به این دو صفحه متصل می‌شود، الکترون‌ها از قطب منفی باتری به یکی از صفحات رانده می‌شوند (بار منفی) و از صفحه‌ی مقابل، الکترون‌ها جذب قطب مثبت باتری می‌شوند (بار مثبت). این فرآیند تا زمانی ادامه می‌یابد که اختلاف پتانسیل بین دو صفحه دقیقاً برابر با ولتاژ باتری شود. در این حالت، می‌گوییم خازن شارژ شده است. هنگامی که باتری جدا شود، این بارها روی صفحات باقی می‌مانند و انرژی الکتریکی ذخیره می‌شود.
فرمول محاسبه ظرفیت و واحد اندازه‌گیری آن
ظرفیت خازن که با نماد $ C $ نشان داده می‌شود، برابر است با نسبت مقدار بار الکتریکی ذخیره شده روی هر صفحه ($ Q $) به اختلاف پتانسیل بین دو صفحه ($ V $).
که در آن:
C = ظرفیت خازن (فاراد)
Q = بار الکتریکی (کولن)
V = ولتاژ (ولت)
واحد اندازه‌گیری ظرفیت، فاراد۳ است که به افتخار مایکل فارادی نام‌گذاری شده است. یک فاراد واحد بسیار بزرگی است. در عمل، از واحدهای کوچک‌تر استفاده می‌شود:
| نام واحد | نماد | برابر با چند فاراد؟ | کاربرد معمول |
|---|---|---|---|
| میکروفاراد | μF | $ 10^{-6} $ F | خازن‌های صوتی، مدارهای فیلتر |
| نانوفاراد | nF | $ 10^{-9} $ F | مدارهای دیجیتال، نوسان‌سازها |
| پیکوفاراد | pF | $ 10^{-12} $ F | مدارهای فرکانس بالا، تیونر رادیو |
عوامل مؤثر بر ظرفیت یک خازن صفحه‌ای
ظرفیت یک خازن صفحه‌ای ساده به سه عامل اصلی بستگی دارد:
۱. مساحت صفحات ($ A $): هرچه مساحت صفحات بیشتر باشد، فضای بیشتری برای ذخیره‌ی بار وجود دارد و در نتیجه ظرفیت افزایش می‌یابد. (رابطه مستقیم)
۲. فاصله بین صفحات ($ d $): هرچه صفحات به هم نزدیک‌تر باشند، نیروی جاذبه الکترواستاتیک بین بارهای مخالف قوی‌تر شده و خازن می‌تواند بار بیشتری را در خود نگه دارد. (رابطه معکوس)
۳. ثابت دی‌الکتریک ($ k $ یا $ \varepsilon_r $): این عدد نشان می‌دهد که ماده عایق چقدر بهتر از خلأ (یا هوا) می‌تواند میدان الکتریکی را در خود نگه دارد. استفاده از دی‌الکتریک با ثابت بالاتر، ظرفیت خازن را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد. (رابطه مستقیم)
که در آن:
$ \varepsilon_0 $ = ثابت گذردهی خلأ ($ 8.85 \times 10^{-12} $ F/m)
| ماده دی‌الکتریک | ثابت دی‌الکتریک (تقریبی) | تأثیر بر ظرفیت |
|---|---|---|
| خلأ | 1 | — |
| هوا | 1.0006 | بسیار ناچیز |
| کاغذ | 3-4 | افزایش ۳ تا ۴ برابری |
| سرامیک | 10-10000 | افزایش بسیار زیاد |
خازن‌ها در عمل: از الکترونیک تا زندگی روزمره
خازن‌ها یکی از پرکاربردترین قطعات در دنیای الکترونیک هستند. در اینجا به چند نمونه اشاره می‌کنیم:
ذخیره‌سازی انرژی: در فلاش دوربین‌های عکاسی، یک خازن با ظرفیت بالا به سرعت شارژ می‌شود و سپس در کسری از ثانیه تمام انرژی ذخیره شده خود را از طریق لامپ فلاش تخلیه می‌کند تا نور شدیدی تولید کند.
صاف کردن ولتاژ: در منابع تغذیه، خازن‌های بزرگ پس از یکسوسازی جریان متناوب (AC)، آن را به جریان مستقیم (DC) صاف‌تری تبدیل می‌کنند. بدون این خازن‌ها، عملکرد بسیاری از دستگاه‌های دیجیتال با مشکل مواجه می‌شد.
تنظیم فرکانس: در مدارهای رادیو، از خازن‌های متغیر برای انتخاب ایستگاه‌های رادیویی مختلف (فرکانس‌های مختلف) استفاده می‌شود. با تغییر ظرفیت، مدار روی فرکانس خاصی تیون می‌شود.
جداسازی جریان متناوب و مستقیم: در تقویت کننده‌های صوتی، خازن‌ها اجازه می‌دهند سیگنال متناوب صدا از میان مدار عبور کند، اما جریان مستقیم را مسدود می‌کنند. این کار برای جلوگیری از تأثیرگذاری بخش‌های مختلف مدار بر یکدیگر ضروری است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. خازن فقط می‌تواند انرژی الکتریکی را ذخیره کند و سپس آن را آزاد کند. اما باتری با استفاده از واکنش‌های شیمیایی، انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. باتری‌ها معمولاً انرژی بسیار بیشتری را برای مدت طولانی‌تری ذخیره می‌کنند، در حالی که خازن‌ها می‌توانند انرژی را بسیار سریع‌تر شارژ و دشارژ کنند.
پاسخ: بله، این کار بسیار خطرناک است. خازن‌های بزرگ، حتی پس از جدا شدن از منبع تغذیه، ممکن است برای مدت طولانی بار خود را نگه دارند. لمس کردن پایه‌های آن‌ها می‌تواند منجر به شوک الکتریکی شدید یا حتی مرگ شود. همیشه قبل از کار کردن با مدارهای الکترونیکی، باید خازن‌ها به طور کامل و ایمن تخلیه شوند.
پاسخ: ظرفیت خازن‌های معمولی (ثابت) پس از ساخت تغییر نمی‌کند. اما نوعی خازن به نام خازن متغیر وجود دارد که با چرخاندن یک پیچ، مساحت مؤثر صفحات آن تغییر می‌کند و در نتیجه ظرفیت آن قابل تنظیم است. از این خازن‌ها در تیونر رادیو استفاده می‌شود.
پاورقی
۱ ظرفیت (Capacitance)
۲ دی‌الکتریک (Dielectric): ماده‌ای عایق که بین صفحات خازن قرار می‌گیرد و ظرفیت آن را افزایش می‌دهد.
۳ فاراد (Farad)
