درسنامه آموزشی فیزیک (2) کلاس یازدهم تجربی
فصل 1: خازن
خازن وسیله‌ای الکتریکی است که می‌تواند بار و انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند؛ مثلاً باتری‌های یک دوربین با باردار کردن یک خازن، انرژی را در خازن فلاش دوربین ذخیره می‌کنند (شکل 1-30). باتری‌ها معمولاً می‌توانند انرژی را فقط با آهنگ نسبتاً کمی به مدار بدهند که این آهنگ برای گسیل نور از فلاش دوربین بسیار کم است، اما وقتی خازن باردار می‌شود، می‌تواند انرژی را با آهنگ بسیار زیادی برای فلاش زدن آماده کند.
شکل 1-31 چند خازن را در اندازه‌ها و شکل‌های مختلف نشان می‌دهد. شکل 1-32 اجزای اصلی یک خازن معمولی را نشان می‌دهد که شامل دو رسانا با هر شکلی است. این رسانا‌ها را صفحه‌های خازن می‌نامیم.
|
|
شکل 1-33 آرایش خازنی موسوم به خازن تخت را نشان می‌دهد که شامل دو صفحهٔ رسانای موازی با مساحت $A$ است که به فاصلهٔ $d$ (که در برابر ابعاد صفحه‌ها ناچیز است) از هم قرار گرفته‌اند. گرچه نمادی که برای نشان دادن یک خازن به کار می‌بریم 
مبتنی بر شکل یک خازن تخت است، ولی از آن برای نشان دادن خازن‌ها با هر شکلی استفاده می‌شود. خازن‌ها به طور گسترده‌ای در مدارهای الکترونیکی وسایلی مانند رادیو، تلویزیون، رایانه، گوشی همراه و… به کار می‌روند؛ مثلاً شکل 1-34 مدار یک تقویت کننده (آمپلی‌فایر) را نشان می‌دهد که در آن چندین خازن به کار رفته است. برخی از این خازن‌ها با پیکان‌هایی مشخص شده‌اند.
|
|
باردار (شارژ) کردن خازن: روش ساده و مرسوم برای باردار کردن خازن قرار دادن آن در مدار الکتریکی ساده‌ای است که یک باتری دارد (شکل 1-35- الف). وقتی کلید $K$ بسته (وصل) شود بار از طریق سیم‌های رسانا جریان می‌یابد. این شارش بار تا هنگامی ادامه پیدا می‌کند که اختلاف پتانسیل میان دو صفحهٔ خازن با اختلاف پتانسیل میان دو پایانهٔ باتری یکسان شود. وقتی یک خازن باردار می‌شود، صفحه‌های آن دارای بارهایی با بزرگی یکسان، ولی با علامت مخالف می‌شود: $+Q$ و $-Q$ با این حال، بار یک خازن را به صورت $Q$ نشان می‌دهند که همان بار صفحهٔ مثبت است. بین دو صفحهٔ خازن باردار یک میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که خطوط این میدان از صفحهٔ مثبت به منفی است (شکل 1-35- ب).
ب) صفحه‌های این خازن بارهایی هم اندازه و با علامت مخالف پیدا می‌کنند. میدان الکتریکی از صفحۀ مثبت به سمت صفحۀ منفی است.
ظرفیت خازن: اگر اختلاف پتانسیل بین صفحه‌های خازن $(\Delta V)$ زیاد کنیم، بار خازن $(Q)$ نیز به همان نسبت زیاد می‌شود. به عبارتی نسبت $\frac{Q}{\Delta V}$ همواره مقداری ثابت است که به این نسبت ثابت، ظرفیت خازن می‌گویند و آن را با $C$ نشان می‌دهند. ظرفیت خازن به اندازهٔ بار خازن و نیز اختلاف پتانسیل دو صفحهٔ آن بستگی ندارد. عبارت ظرفیت الکتریکی را نخستین بار ولتا در تشابه با ظرفیت گرمایی به کار برد. بنابه دلایل تاریخی، قدرمطلق اختلاف پتانسیل $(\Delta V)$ بین دو صفحهٔ خازن را با $V$ نمایش می‌دهند. بنابراین:
(12-1) $C=\frac{Q}{V}$
در رابطهٔ 1-12 یکای بار الکتریکی، کولن $(C)$، یکای اختلاف پتانسیل، ولت $(V)$ و بنابراین یکای ظرفیت، کولن بر ولت $(C/V)$ می‌شود که به پاس خدمات مایکل فاراده، فاراد $(F)$ نامیده شده است. فاراد یکای بسیار بزرگی است و عملاً ظرفیت اکثر خازن‌های متداول در محدودهٔ پیکوفاراد $({{10}^{-12}}F)$ تا میلی فاراد $({{10}^{-3}}F)$ است. گرچه امروزه فنّاوری ساخت خازن‌ها، دستیابی به ظرفیت‌هایی بسیار بیشتر را نیز ممکن ساخته است.
مثال 1-13
صفحه‌های خازنی را مطابق شکل به پایانه‌های یک باتری با اختلاف پتانسیل $12V$ وصل می‌کنیم. اگر بار خازن $24\mu C$ شود،
الف) ظرفیت خازن را محاسبه کنید.
ب) اگر این خازن را به اختلاف پتانسیل $36V$ وصل کنیم، بار الکتریکی آن چقدر می‌شود؟
پاسخ:
الف) با استفاده از رابطهٔ 1-12 داریم:
$C=\frac{Q}{V}=\frac{24\times {{10}^{-6}}C}{12V}=2/0\times {{10}^{-6}}F=2/0\mu F$
ب) با توجه به اینکه ظرفیت خازن همواره مقدار ثابتی است از ظرفیت به دست آمده در قسمت الف استفاده می‌کنیم.آنگاه با استفاده از رابطهٔ 1-12 می‌توان نوشت:
$Q=CV=(2/0\times {{10}^{-6}}F)(36V)=72\times {{10}^{-6}}C=72\mu C$
خوب است بدانید: بطری لیدن
بطری لیدن، قدیمی‌ترین نوع خازن است که در میانهٔ سدهٔ هجدهم در شهر لیدن که امروزه در هلند واقع شده است، ساخته شد. در یک نوع ابتدایی، این خازن از یک بطری شیشه‌ای ساخته شده است که سطح درونی و بیرونی آن با ورقهٔ نازک قلع پوشیده شده است. ورقهٔ درونی توسط سیم یا زنجیری فلزی به میلهٔ فلزی ثابت داخل بطری اتصال دارد (شکل - الف). امروزه برای باردار کردن بطری لیدن، روی بدنهٔ فلزی و سر میلهٔ فلزی سوکت (جای فیش)هایی نصب شده است (شکل - ب) که از طریق آنها، خازن توسط قطب‌های یک مولد ولتاژ بالا مانند مولد وان دوگراف یا مولد ویم چرست باردار می‌شود. ظرفیت یک بطری لیدن با اندازهٔ متوسط از مرتبهٔ $1nF$ است. آزمایش با بطری لیدن خطرناک است و باید تحت نظارت مربی یا دبیر محترم انجام شود.
ظرفیت خازن تخت: آزمایش و محاسبه نشان می‌دهد که ظرفیت یک خازن تخت با مساحت صفحه‌های $A$ و فاصلهٔ جدایی صفحه‌های $d$، از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:
(13-1) ${C_0} = {\varepsilon _0}\frac{A}{d}$
که در آن ${\varepsilon _0}$ همان ضریب گذردهی الکتریکی خلأ (${\varepsilon _0} = 8/85 \times {10^{ - 12}}F/m$) است. مثالی کاربردی از این رابطه، میکروفون خازنی است که بر اثر تغییر ظرفیت یک خازن تخت سیگنال الکتریکی ایجاد می‌کند. (شکل 1-36)
حال اگر فضای میان صفحه‌های یک خازن را با ماده‌ای عایق (مانند کاغذ یا پلاستیک) که به آن دی‌الکتریک گفته می‌شود پُرکنیم (شکل 1-37) برای ظرفیت خازن چه پیش می‌آید؟ مایکل فاراده نخستین بار در سال 1837 میلادی، با استفاده از وسایل ساده‌ای دریافت که ظرفیت خازن با ضریبی موسوم به ثابت دی‌الکتریک مادهٔ عایق (که آن را با $\kappa $ نشان می‌دهند) افزایش می‌یابد؛ یعنی اگر ظرفیت خازن بدون دی‌الکتریک را با ${{C}_{{}^\circ }}$ نمایش دهیم آن گاه ظرفیت خازن با دی‌الکتریک برابر است با
(14-1) $C=\kappa {{C}_{{}^\circ }}$
جدول 1-3 ثابت دی‌الکتریک چند مادهٔ عایق را نشان می‌دهد.
| مادۀ دی‌الکتریک | ثابت دی‌الکتریک |
| هوای $1atm$ | $1/0006$ |
| تفلون | $2/1$ |
| پارافین | $2/2$ |
| پلی‌استیرن | $2/6$ |
| میلار | $3/1$ |
| پی‌وی‌سی | $3/4$ |
| کاغذ | $3/5$ |
| کوارتز | $4/3$ |
| شیشهٔ پیرکس | $5$ |
| میکا | $7$ |
| آب خالص | $80$ |
| تیتانید استرانسیوم | $310$ |
پرسش 1-8 (صفحهٔ 31 کتاب درسی)
در شکل زیر صفحه‌های باردار یک خازن تخت را که بین آنها هواست، به ولت سنج وصل می‌کنیم. با وارد کردن دی‌الکتریک در بین صفحه‌ها، اختلاف پتانسیل دو صفحه کاهش می‌یابد. علت آن را توضیح دهید. (توجه کنید که این آزمایش با بیشتر ولت سنج‌های معمولی و رایج ممکن نیست.)
روش اول: با قراردادن دی‌الکتریک بین صفحات خازن ظرفیت آن افزایش می‌یابد، از آنجایی که بار روی صفحات خازن ثابت است بنابراین طبق رابطه $V=\frac{Q}{C}$ اختلاف پتانسیل کاهش می‌یابد.
روش دوم: با قراردادن دی‌الکتریک بین صفحات خازن میدان الکتریکی بین صفحات کاهش و طبق رابطه‌ی $|\Delta V|=Ed$ اختلاف پتانسیل بین صفحات نیز کاهش می‌یابد.
مثال 1-14
برخی از صفحه کلیدهای رایانه (شکل الف) بر مبنای تغییر ظرفیت خازن عمل می‌کنند. هر کلید این صفحه به یک سر پایه‌ای نصب شده است که سر دیگر آن به یک صفحهٔ فلزی متحرک متصل است. این صفحهٔ فلزی خود توسط یک دی‌الکتریک انعطاف پذیر از صفحهٔ فلزی ثابتی جدا شده است و درواقع این دو صفحه یک خازن تخت را تشکیل می‌دهند (شکل ب). با فشار دادن کلید، صفحهٔ متحرک به صفحهٔ ثابت نزدیک می‌شود و ظرفیت خازن افزایش می‌یابد. این تغییر ظرفیت به صورت سیگنالی الکتریکی توسط مدارهای الکترونیکی رایانه آشکار می‌شود و بدین ترتیب، مشخص می‌شود که کدام کلید فشار داده شده است.
فاصلهٔ بین صفحه‌ها عموماً $5/00\times {{10}^{-3}}m$ است که این فاصله با فشار دادن کلید به $0/150\times {{10}^{-3}}m$ می‌رسد. مساحت صفحه‌ها $9/50\times {{10}^{-5}}{{m}^{2}}$ است و خازن از ماده‌ای با ثابت دی‌الکتریک $3/50$ پر شده است. تغییر ظرفیتی که با فشار دادن کلید، توسط مدارهای الکترونیکی رایانه آشکار می‌شود چقدر است؟
پاسخ: با استفاده از رابطهٔ 1-13 و 1-14 ظرفیت خازن پیش از فشار دادن کلید برابر است با
$C = \kappa {\varepsilon _{0 }}\frac{A}{d} = 3/50(8/85 \times {10^{ - 12}}F/m)\frac{{(9/50 \times {{10}^{ - 5}}{m^2})}}{{(5/00 \times {{10}^{ - 3}}m)}} = 0/589 \times {10^{ - 12}}F = 0/589pF$
پس از فشرده شدن کلید، فاصلهٔ بین صفحه‌ها به $0/150\times {{10}^{-3}}m$ می‌رسد و با محاسبه‌ای مشابه به $C=19/6\times {{10}^{-12}}F=19/6pF$ می‌رسیم. بنابراین، تغییر ظرفیت خازن که به صورت سیگنالی آشکار می‌شود از تفاضل دو مقدار بالا به دست می‌آید:
$\Delta C=19/6pF-0/589pF=19/0pF$
فعالیت 1-8 (صفحهٔ 32 کتاب درسی)
در حسگر کیسهٔ هوای برخی از خودروها از یک خازن استفاده می‌شود. دربارهٔ چگونگی عملکرد این حسگرها تحقیق کنید و نتیجهٔ آن را به کلاس گزارش دهید.
این حسگرها که در قسمت جلوی خودرو نصب می‌شوند، شامل خازنی با یک صفحه ثابت و یک صفحه متحرک هستند. در تغییر سرعت‌های ناگهانی و ترمزهای شدید، فاصله بین این دو صفحه کاهش و ظرفیت خازن افزایش می‌یابد، این تغییر ظرفیت خازن توسط دستگاه کنترل مرکزی، آشکارسازی و باعث باز شدن کیسه هوا می‌شود.
فروریزش الکتریکی: اثر دیگر حضور دی الکتریک‌ها در خازن، افزایش حداکثر ولتاژ قابل تحمل خازن است. اگر اختلاف پتانسیل دو صفحهٔ یک خازن را به اندازهٔ کافی زیاد کنیم، تعدادی از الکترون‌های اتم‌های مادهٔ دی‌الکتریک، توسط میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو صفحه، کنده می‌شوند و مسیرهایی رسانا درون دی‌الکتریک ایجاد می‌شود (شکل 1- 38) که سبب تخلیهٔ خازن می‌گردد. به این پدیده فروریزش الکتریکی مادهٔ دی‌الکتریک می‌گویند. فروریزش الکتریکی در عایق بین دو صفحهٔ خازن‌ها معمولاً، با ایجاد یک جرقه همراه است و در بیشتر مواقع خازن را می‌سوزاند. خازن‌ها معمولاً با مقدار ظرفیت آنها و اختلاف پتانسیل بیشینه‌ای که می‌توانند تحمل کنند مشخص می‌شوند (شکل 1- 39).
|
|
تمرین 1-11 (صفحهٔ 33 کتاب درسی)
یک یاختهٔ عصبی (نورون) را می‌توان با یک خازن تخت مدل‌سازی کرد، به‌طوری که غشای سلول به عنوان دی‌الکتریک و یون‌های باردار با علامت مخالف که در دو طرف غشا هستند به عنوان بارهای روی صفحه‌های خازن عمل کنند (شکل زیر). ظرفیت یک سلول عصبی و تعداد یون‌های لازم (بافرض آنکه هر یون یک بار یونیده باشد)، برای آنکه یک اختلاف پتانسیل $85mV$ ایجاد شود چقدر است؟ فرض کنید غشا دارای ثابت دی‌الکتریک $\kappa =3/0$، ضخامت $10/0nm$ و مساحت سطح $1/0\times {{10}^{-10}}{{m}^{2}}$ است.
$k=3$، $e=1/6\times {{10}^{-19}}C$، $\varepsilon .=8/85\times {{10}^{-12}}\frac{F}{m}$، $V=85V=85\times {{10}^{-3}}V$
$A=1\times {{10}^{-10}}{{m}^{2}}$، $d=10nm=10\times {{10}^{-9}}m={{10}^{-10m}}$
$C=k\varepsilon .\frac{A}{d}=\frac{3\times 8/85\times {{10}^{-12}}\times 1\times {{10}^{-10}}}{10\times {{10}^{-9}}}=2/655\times {{10}^{-13}}F\to C=2/655\times {{10}^{-13}}F$
$C=\frac{Q}{V}\to Q=CV=2/655\times {{10}^{-13}}\times 85\times {{10}^{-3}}\simeq 2/257\times {{10}^{-14}}C\to Q=2/257\times {{10}^{-14}}C$
$Q=ne\to n=\frac{Q}{e}=\frac{2/257\times {{10}^{-14}}}{1/6\times {{10}^{-19}}}\simeq 1/41\times {{10}^{5}}$
فعالیت 1-9 (صفحهٔ 33 کتاب درسی)
خازن‌ها انواع متعددی دارند؛ زیرا برای کاربردهای مختلفی طراحی و ساخته می‌شوند. دربارهٔ خازن‌های مختلف مانند خازن‌های ورقه‌ای، میکا، سرامیکی، الکترولیتی، خازن‌های متغیر، اَبَرخازن‌ها و ظرفیت آنها تحقیق کنید. هر گروه می‌تواند روی یک نوع خازن تحقیق کند. هر گروه می‌تواند روی یک نوع خازن تحقیق کند.
خازن‌ها المان‌هایی هستند که می‌توانند مقداری الکتریسیته را به صورت یک میدان الکترواستاتیک در خود ذخیره کنند. همانگونه که یک مخزن آب برای ذخیره کردن مقداری آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. خازن‌ها به اشکال گوناگون ساخته می‌شوند و متداول‌ترین آنها خازن‌های مسطح هستند.
این نوع خازن‌ها از دو صفحه هادی که بین آنها عایق یا دی‌الکتریک قرار دارد. صفحات هادی نسبتا بزرگ هستند و در فاصله‌ای بسیار نزدیک به هم قرار می‌گیرند. دی‌الکتریک انواع مختلفی دارد و با ضریب مخصوصی که نسبت به هوا سنجیده می‌شود، معرفی می‌گردد. این ضریب را ضریب دی‌الکتریک می‌نامند. خازن‌ها به دو دسته کلی ثابت و متغیر تقسیم بندی می‌شوند. خازن‌ها انواع مختلفی دارند و از لحاظ شکل و اندازه با یک دیگر متفاوت‌اند. بعضی از خازن‌ها از روغن پر شده و بسیار حجیم‌اند. برخی دیگر بسیار کوچک و به اندازه یک دانه عدس می‌باشند. خازن‌ها بر حسب ثابت یا متغیر بودن ظرفیت به دو گروه تقسیم می‌شوند: خازن‌های ثابت و خازن‌های متغیر.
خازن‌های ثابت: این خازن‌ها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی‌کنند. خازن‌های ثابت را بر اساس نوع ماده دی‌الکتریک به کار رفته در آنها تقسیم بندی و نام گذاری می‌کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می‌شود. از جمله این خازن‌ها می‌توان انواع سرامیکی، میکا، ورقه‌ای (کاغذی و پلاستیکی)، الکترولیتی، روغنی، گازی و نوع خاص فیلم $(Film)$ را نام برد. اگر ماده دی‌الکتریک طی یک فعالیت شیمیایی تشکیل شده باشد آن را خازن الکترولیتی و در غیر این صورت آن را خازن خشک گویند. خازن‌های روغنی و گازی در صنعت برق بیشتر در مدارهای الکتریکی برای راه اندازی و یا اصلاح ضریب قدرت به کار می‌روند. بقیه خازن‌های ثابت دارای ویژگی‌های خاصی هستند.
خازن‌های متغیر: به طور کلی با تغییر سه عامل می‌توان ظرفیت خازن را تغییر داد: «فاصله صفحات»، «سطح صفحات» و «نوع دی‌الکتریک».
اساس کار خازن متغیر بر مبنای تغییر سطح مشترک صفحات خازن یا تغییر ضخامت دی‌الکتریک است، ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد. خازن‌های متغیر عموماً از نوع عایق هوا یا پلاستیک هستند. نوعی که به وسیله دسته متحرک (محور) عمل تغییر ظرفیت انجام می‌شود «واریابل» نامند و در نوع دیگر این عمل به وسیله پیچ گوشتی صورت می‌گیرد که به آن «تریمر» گویند. محدوده ظرفیت خازن‌های واریابل $10$ تا $400$ پیکو فاراد و در خازن‌های تریمر از $5$ تا $30$ پیکو فاراد است. از این خازن‌ها در گیرنده‌های رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاه رادیویی استفاده می‌شود.
خازن‌های سرامیکی $(Ceramic capacitor)$: دی‌الکتریک این خازن‌ها سرامیک است که با استفاده از انواع سیلیکات‌ها در دمای بالا تهیه می‌شود. ثابت دی‌الکتریک این خازن‌ها زیاد و در حدود $1000$ است. خازن‌های سرامیکی به شکل عدس تهیه می‌شوند و حجم آنها کم است. صفحات رسانای آنها نیز با ذوب نقره در دو طرف سرامیک تهیه می‌شوند. ظرفیت این خازن‌ها حدود ده‌ها نانوفاراد $(nF)$ است.
خازن‌های ورقه‌ای: این خازن‌ها از دو ورقه قلع یا آلومینیم تشکیل شده‌اند که بین آنها دو ورقه دی‌الکتریک مانند کاغذ یا پلاستیک جا داده می‌شود. این ورق‌ها را لوله می‌کنند و به صورت یک استوانه در می‌آورند و در محفظه‌ای پلاستیکی قرار می‌دهند. ظرفیت این نوع خازن‌ها از $1nF$ تا $1\mu F$ است.
خازن‌های میکا: بین ورقه‌های فلزی نازک قلعی ورقه‌های نازک میکا قرار می‌دهند و ورقه‌های قلع را یک در میان به یکدیگر وصل می‌کنند. ظرفیت این خازن‌ها حدود $50$ تا $500$ پیکو فاراد است.
خازن‌های میکا: در این نوع خازن از ورقه‌های نازک میکا در بین صفحات خازن (ورقه‌های فلزی - آلومینیوم) استفاده می‌شود و در پایان، مجموعه در یک محفظه قرار داده می‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگیری شود. ظرفیت خازن‌های میکا تقریبا بین $0/01$ تا $1$ میکرو فاراد است. از ویژگی‌های اصلی و مهم این خازن‌ها می‌توان داشتن ولتاژ کار بالا، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا را نام برد.
خازن‌های الکترولیتی: این نوع خازن‌ها معمولاً در رنج میکرو فاراد هستند. خازن‌های الکترولیتی همان خازن‌های ثابت هستند، اما اندازه و ظرفیتشان از خازن‌های ثابت بزرگ‌تر است. نام دیگر این خازن‌ها، شیمیایی است. علت نامیدن آنها به این نام این است که دی‌الکتریک این خازن‌ها را به نوعی مواد شیمیایی آغشته می‌کنند که در عمل، حالت یک کاتالیزور را دارا می‌باشند و باعث بالا رفتن ظرفیت خازن می‌شوند. برخلاف خازن‌های عدسی، این خازن‌ها دارای قطب یا پایه مثبت و منفی می‌باشند. روی بدنه خازن کنار پایه منفی، علامت - نوشته شده است. مقدار واقعی ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل آنها نیز روی بدنه درج شده است .خازن‌های الکترولیتی در دو نوع آلومینیومی و تانتالیومی ساخته می‌شوند.
خازن آلومینیومی: این خازن همانند خازن‌های ورقه‌ای از دو ورقه آلومینیومی تشکیل شده است. یکی از این ورقه‌ها که لایه اکسید روی آن ایجاد می‌شود «آند» نامیده می‌شود و ورقه آلومینیومی دیگر نقش کاتد را دارد. ساختمان داخلی آن بدین صورت است که دو ورقه آلومینیومی به همراه دو لایه کاغذ متخلخل که در بین آنها قرار دارند هم زمان پیچیده شده و سیم‌های اتصال نیز به انتهای ورقه‌های آلومینیومی متصل می‌شوند. پس از پیچیدن ورقه‌ها آن را درون یک الکترولیت مناسب که شکل‌گیری لایه اکسید را سرعت می‌بخشد غوطه‌ور می‌سازند تا دو لایه کاغذ متخلخل از الکترولیت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون یک قاب فلزی قرار داده و با یک پولک پلاستیکی که سیم‌های خازن از آن می‌گذرد محکم بسته می‌شود.
اَبَر خازن‌ها: این نوع از خازن‌ها از موادی مانند زغال فعال پر شده‌اند. که خود درون نوعی الکترولیت قرار گرفته‌اند. زغال‌ها پس از قرار گرفتن در دو سوی خازن که توسط غشای عایق و نفوذپذیری به نام جداکننده از هم جدا شده‌اند، بارهایی با علامت مخالف می‌گیرند و با توجه به نفوذپذیری جدا کننده یون‌های موجود در الکترولیت از غضای جداکننده عبور می‌کنند؛ به طوری که یون‌های منفی در سمت زغال‌های باردار مثبت و یون‌های مثبت در سمت زغال‌های باردار منفی قرار می‌گیرند. هر یک از جفت بارهای مثبت و منفی زغال - یون به مثابه خازنی با فاصله جدایی $d$ است که میلیون‌ها بار کوچکتر از فاصله جدایی صفحات یک خازن معمولی است. از طرفی ساختار میکروسکوپی زغال‌های فعال اسفنجی شکل است، به طوری که در مقیاس نانو سطح تماس بسیار بزرگی با یون‌ها دارند و به این ترتیب مساحت صفحات این خازن‌ها به مراتب بزرگ‌تر از مساحت یک خازن معمولی است. بنابراین این خازن‌ها ظرفیت‌های بسیار بزرگی از مرتبه کیلوفاراد دارند که میلیون‌ها برابر خازن‌های معمولی است. از مزایای این نوع خازن‌ها شارژ سریع آنها است که باعث استفاده آنها در وسایل الکتریکی می‌شود.