خازن چیست و چگونه کار میکند؟

خازن یک جزء الکترونیکی اساسی است که مانند یک باتری کوچک قابل شارژ با ظرفیت بسیار کم کار می کند. خازن ها برای ایجاد نوسانگرها، تأخیرهای زمانی، افزودن افزایش توان و موارد دیگر استفاده می شوند. مانند بسیاری از اجزاء، ساده ترین راه برای درک چگونگی عملکرد خازن این است که با چشمان خود ببینید که در مدار چه کاری انجام می دهد.

خازن چیست؟

خازن از دو صفحه فلزی تشکیل شده است که در بین صفحات یک ماده دی الکتریک (ماده ای که الکتریسیته را هدایت نمی کند) قرار دارد. به همین سادگی است و حتی می توانید خازن خود را با استفاده از دو ورق فویل آلومینیومی با یک تکه کاغذ در بین خود بسازید.

هنگامی که ولتاژی را در دو صفحه اعمال می کنید، جریانی به وجود می آید زیرا ولتاژ سعی می کند الکترون ها را از طریق خازن فشار دهد. اما الکترون ها نمی توانند از طریق دی الکتریک بین صفحات جریان پیدا کنند، بنابراین الکترون ها در یک صفحه جمع می شوند و صفحه دیگر را ترک می کنند.

در نهایت، سمتی که الکترون‌ها در آن جمع می‌شوند، فضایی برای الکترون‌های بیشتر نخواهد داشت، بنابراین جریان از کار می‌افتد. هنگامی که این اتفاق می افتد، خازن به طور کامل شارژ می شود. مقدار بار الکتریکی که خازن می تواند نگه دارد را ظرفیت آن می گویند.

الکترون‌ها دوست ندارند در یک صفحه با هم جمع شوند. آنها می خواهند با الکترون های کمتر به سمتی بروند. بنابراین، اگر مسیری را برای جریان الکترون‌ها فراهم کنید (مثلاً با اتصال مقاومتی بین پاهای آن)، الکترون‌ها به سمت دیگر برمی‌گردند تا زمانی که دوباره تعادل الکترون‌ها در دو طرف خازن برقرار شود.

نحوه کار خازن ها

خازن چگونه کار می کند؟ به زبان ساده یک خازن مانند یک باتری کوچک قابل شارژ با ظرفیت بسیار کم کار می کند.

اما یک خازن معمولا در کسری از ثانیه شارژ و تخلیه می شود. بنابراین برای همان هدفی که باتری استفاده نمی شود. در عوض، برای مواردی مانند اضافه کردن تاخیر زمانی، ایجاد نوسانگرها و به عنوان ژنراتورهای پشتیبان کوچک برای میکروکنترلرها استفاده می شود.

ظرفیت خازنی چیست؟

مقدار انرژی الکتریکی که یک خازن می تواند ذخیره کند به ظرفیت آن بستگی دارد. ظرفیت خازن کمی شبیه به اندازه یک سطل می باشد هر چه سطل بزرگتر باشد، آب بیشتری می تواند ذخیره کند. هر چه ظرفیت خازن بیشتر باشد، یک خازن می تواند الکتریسیته بیشتری را ذخیره کند.

سه راه برای افزایش ظرفیت خازن وجود دارد. یکی افزایش سایز صفحات است. دیگری این است که صفحات را به هم نزدیکتر کنید. راه سوم این است که دی الکتریک را تا حد امکان عایق خوبی کنیم. خازن ها از دی الکتریک های ساخته شده از انواع مواد استفاده می کنند. در رادیوهای ترانزیستوری، تنظیم توسط یک خازن متغیر بزرگ انجام می شود که چیزی جز هوا بین صفحات خود ندارد. در بیشتر مدارهای الکترونیکی، خازن ها اجزای مهر و موم شده با دی الکتریک های ساخته شده از سرامیک هایی مانند میکا و شیشه، کاغذ آغشته به روغن یا پلاستیک هایی مانند مایلار هستند.

چگونه ظرفیت خازن را اندازه گیری کنیم؟

اندازه یک خازن با واحدهایی به نام فاراد (F) اندازه گیری می شود. یک فاراد مقدار زیادی ظرفیت دارد، بنابراین، در عمل، بیشتر خازن‌هایی که با آنها مواجه می‌شویم فقط کسری از فاراد هستند - معمولاً میکروفاراد (میلیونم فاراد، میکروفاراد نوشته شده)، نانوفاراد (هزارمیلیونم فاراد نوشته شده nF) و پیکوفاراد (میلیون میلیونم فاراد، نوشته شده pF). ابرخازن‌ها بارهای بسیار بزرگ‌تری را ذخیره می‌کنند که گاهی اوقات به هزاران فاراد می‌رسد.

چرا خازن ها انرژی را ذخیره می کنند؟

فرض کنید در پایین چند پله ایستاده اید و تصمیم دارید صعود را شروع کنید. شما باید بدن خود را در برابر گرانش زمین که یک نیروی جذاب (کششی) است بالا ببرید. همانطور که فیزیکدانان می گویند، برای بالا رفتن از یک نردبان (کار در برابر نیروی گرانش) و استفاده از انرژی باید "کار" انجام دهید. انرژی ای که استفاده می کنید از بین نمی رود، بلکه توسط بدن شما به عنوان انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می شود، که می توانید از آن برای انجام کارهای دیگر استفاده کنید (مثلاً به پایین کشیدن یک لغزش به سطح زمین).
کاری که هنگام بالا رفتن از پله‌ها، نردبان‌ها، کوه‌ها یا هر چیز دیگری انجام می‌دهید، کار بر علیه میدان گرانشی زمین است. یک چیز بسیار مشابه در خازن در حال انجام است. اگر یک بار الکتریکی مثبت و یک بار الکتریکی منفی داشته باشید، آنها مانند قطب های مخالف دو آهنربا - یا مانند بدن و زمین شما، یکدیگر را جذب می کنند. اگر آنها را از هم جدا کنید، باید در برابر این نیروی الکترواستاتیک "کار" انجام دهید. مجدداً، درست مانند پله‌های بالا رفتن، انرژی مورد استفاده شما از بین نمی‌رود، بلکه در هنگام جدا شدن توسط شارژها ذخیره می‌شود. این بار انرژی پتانسیل الکتریکی نامیده می شود. و این، اگر تا به حال حدس زده اید، انرژی است که یک خازن ذخیره می کند. دو صفحه آن بارهای مخالف را نگه می دارند و جدا شدن بین آنها یک میدان الکتریکی ایجاد می کند. به همین دلیل است که یک خازن انرژی را ذخیره می کند.

چگونه می توانیم ظرفیت را افزایش دهیم؟

به طور شهودی واضح است که اگر صفحات را بزرگتر کنید، می توانید شارژ بیشتری ذخیره کنید (همانطور که اگر یک کمد را بزرگتر کنید می توانید چیزهای بیشتری را درون آن قرار دهید). بنابراین افزایش مساحت صفحات باعث افزایش ظرفیت خازنی نیز می شود. بدیهی است که اگر فاصله بین صفحات را کاهش دهیم، ظرفیت خازنی نیز افزایش می یابد. این به این دلیل است که هرچه فاصله بین صفحات کمتر باشد، تأثیر صفحات بر روی یکدیگر بیشتر می شود. صفحه دوم با نزدیکتر بودن، پتانسیل صفحه اول را بیشتر کاهش می دهد و این باعث افزایش ظرفیت خازنی می شود.