خازن

مقدمه

 

 

 

خازن المان الکتریکی است که می‌تواندانرژیالکتریکی را توسط میدان الکترواستاتیکی(بارالکتریکی)در خود ذخیره کند. انواعخازن در مدارهای الکتریکی بکار می‌روند. خازن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش می‌دهند. ساختمان داخلی خازن از دو قسمت اصلی تشکیلمی‌شود:
الف – صفحات هادی

ب – عایق بین هادیها (دیالکتریک)

ساختمان خازن

هرگاه دو هادی در مقابل هم قرار گرفته و در بین آنهاعایقی قرار داده شود، تشکیل خازن می‌دهند. معمولا صفحات هادی خازن از جنسآلومینیوم،رویونقرهبا سطح نسبتا زیاد بوده و در بین آنهاعایقی (دی الکتریک) از جنس هوا ، کاغذ ، میکا ، پلاستیک ، سرامیک ، اکسید آلومینیومو اکسید تانتالیوم استفاده می‌شود. هر چه ضریب دی الکتریک یک ماده عایق بزرگتر باشدآن دی الکتریک دارای خاصیت عایقی بهتر است. به عنوان مثال ، ضریب دی الکتریک هوا 1و ضریب دی الکتریک اکسید آلومینیوم 7 می‌باشد. بنابراین خاصیت عایقی اکسیدآلومینیوم 7 برابر خاصیت عایقی هوا است.

انواع خازن

الف- خازنهایثابت

• سرامیکی
• خازنهایورقه‌ای
• خازنهایمیکا

• خازنهایالکترولیتی
• آلومینیومی
• تانتالیوم

ب- خازنهایمتغیر

• واریابل
• تریمر

انواع خازن بر اساس شکل ظاهری آنها

1. مسطح
2. کروی
3. استوانه‌ای
4. خازن کاغذی
5. خازن الکترونیکی
6. خازن سرامیکی
7. خازن متغییر

انواع خازن بر اساس دی الکتریک آنها

خازن مسطح

خازن تخت)

دو صفحه فلزی موازی که بین آنها عایقی به نام دیالکتریک قرار دارد، مانند (هوا ، شیشه). با اتصال صفحات خازن به یک مولد می‌توانخازن را باردار کرد. اختلافپتانسیل بین دو سر صفحات خازن برابر اختلاف پتانسیل دو سر مولد خواهد بود.

خازنکروی

ظرفیت خازن (C)

نسبت مقدار باری که روی صفحات انباشته می‌شود بر اختلافپتانسیل دو سر باتری را ظرفیت خازن گویند؛ که مقداری ثابت است.

C = kε₀ A/d

 

C = ظرفیت خازن بر حسب فاراد

 

Q = بار ذخیره شده برحسب کولن

 

V = اختلاف پتانسیل دو سر مولد برحسبولت

ε₀ = قابلیت گذر دهی خلا است که برابر است با: 8.85 × ^12-10 _ C²/N.m²
k (بدون یکا) = ثابت دی الکتریک است که برای هر ماده‌ای فرق دارد. تقریبا برای هوا و خلأ 1=K استو برای محیطهای دیگر مانند شیشه و روغن 1
A = سطح خازن بر حسب m²

d =فاصله بین دو صفه خازن بر حسب m

چند نکته

 

 

 

 

آزمایش نشان می‌دهد که ظرفیت یک خازن به اندازه بار (q) و به اختلاف پتانسیل دوسر خازن (V) بستگی ندارد بلکه به نسبت q/v بستگی دارد.

• بار الکتریکی ذخیره شده در خازن با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیمدارد. یعنی: q
• a v
• ظرفیت خازن با فاصله بین دو صفحه نسبت عکس دارد. یعنی: C a 1/d
• ظرفیت خازن با مساحت هر یک از صفحات و جنس دی الکتریک(K )نسبت مستقیم دارد. یعنی: C a A وC a K

شارژ یا پر کردن یک خازن

وقتی که یک خازن بی بار را به دو سر یکباتری وصل کنیم؛الکترونهادر مدار جاری می‌شوند. بدین ترتیب یکی از صفحات بار (+) و صفحه دیگر بار (-) پیدا می‌کند. آن صفحه‌ای که به قطب مثبت باتری وصل شده ؛ بار مثبت و صفحه دیگر بارمنفی پیدا می‌کند. خازن پس از ذخیره کردن مقدار معینی ازبارالکتریکی پر می‌شود. یعنی با توجه به اینکه کلید همچنان بسته است؛ ولی جریانیاز مدار عبور نمی‌کند و در واقع جریان به صفر می‌رسد. یعنی به محض اینکه یک خازنخالی بدون بار را در یک مدار به مولد متصل کردیم؛ پس از مدتی کوتاهعقربهگالوانومتر دوباره روی صفر بر می‌گردد. یعنی دیگر جریانی از مدار عبور نمی‌کند. در این حالت می‌گوییم خازن پرشده است.

دشارژ یا تخلیه یک خازن

ابتدا خازنی را که پر است در نظر می‌گیریم. دو سرخازن را توسط یک سیم به همدیگر وصل می‌کنیم. در این حالت برای مدت کوتاهی جریانی درمدار برقرار می‌شود و این جریان تا زمانی که بار روی صفحات خازن وجود دارد برقراراست. پس از مدت زمانی جریان صفر خواهد شد. یعنی دیگر باری بر روی صفحات خازن وجودندارد و خازن تخلیه شده است. اگر خازن کاملا پر شود دیگر جریانی برقرار نمی‌شود واگر خازن کاملا تخلیه شود باز هم جریانی برقرار نمی‌شود.

تأثیر ماده دی‌الکتریک در فضای بین دو صفحه موازی یک خازن

 

 

 

 

وقتی که خازنیرا به مولدی وصل می‌کنیم؛ یک میدان یکنواخت در داخل خازن بوجود می‌آید. اینمیدانالکتریکی بر توزیع بارهای الکتریکی اتمی عایقی که در درون صفحات قرار دارد اثرمی‌گذارد و باعث می‌شود که دو قطبیهای موجود در عایق طوری شکل گیری کنند؛ که در یکسمت عایق بارهای مثبت و در سمت دیگر آن بارهای منفی تجمّع کنند. توزیع بارهایی کهدر لبه‌های عایق قرار دارند؛ بر بارهای روی صفحات خازن اثر می‌گذارد. یعنی بارهایمنفی روی لبه‌های عایق؛ بارهای مثبت بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند؛ وهمینطور بارهای مثبت روی لبه‌های عایق بارهای منفی بیشتری را روی صفحات خازن جمعمی‌کند. بنابراین با افزایش ثابت دی الکتریک (K) می‌توان بارهای بیشتری را روی خازنجمع کرد و باعث افزایش ظرفیت یک خازن شد. با گذاشتن دی الکتریک در بین صفحات یکخازن ظرفیت آن افزایش می‌یابد.

میدان الکتریکی درون خازن تخت

در فضای بین صفحات خازن بار دارمیدانالکتریکی یکنواختی برقرار می‌شود که جهت آن همواره از صفحه مثبت خازن به سمتصفحه منفی خازن است. اندازه میدان همواره یک عدد ثابت می‌باشد.

E=V/d

E: میدان الکتریکی

V: اختلاف پتانسیل دو سر خازن

d: فاصله بین دو صفحه خازن

میدانالکتریکی با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم و با فاصله بین صفحات خازن نسبتعکس دارد.

به هم بستن خازنها

خازنها در مدار به دو صورت بسته می‌شوند:

1. موازی
2. متوالی (سری)

بستن خازنها به روش موازی

در بستن به روش موازی بین خازنها دو نقطه اشتراکوجود دارد. در این نوع روش: اختلاف پتانسیل برای همة خازنها یکی است.

بار ذخیره شده در کل مدار برابر است با مجموع بارهای ذخیره شده در هریک ازخازنها.

ظرفیت معادل در حالت موازی

مولد V = V₁ = V₂ = V₃

 

بار کل Q = Q₁ + Q₂ + Q₃

 

CV = C₁V₁ + C₂V₂ + C₃V₃

 

ظرفیت کل : C = C₁ + C₂ + C₃

اندیسها مربوط به خازنهای 1 ؛ 2 و 3 می‌باشد. هرگاه چند خازن باهم موازی باشند، ظرفیت خازن معادل برابر است با مجموع ظرفیتخازنها.

بستن خازنها بصورت متوالی

در بستن به روش متوالی بین خازنها یک نقطهاشتراک وجود دارد و تنها دو صفحه دو طرف مجموعه به مولد بسته شده ؛ از مولد باردریافت می‌کند. صفحات مقابل نیز از طریق القاء بار الکتریکی دریافت می‌کنند. بنابراین اندازه بار الکتریکی روی همه خازنها در این حالت باهم برابر است. در بستنخازنها به طریق متوالی:

بارهای روی صفحات هر خازن یکی است.

• اختلاف پتانسیل دو سر مدار برابر است با مجموع اختلاف پتانسیل دو سر هر یک ازخازنها.

ظرفیت معادل در حالت متوالی:

بار کل Q = Q₁ + Q₂ + Q₃

 

اختلاف پتانسیل کل V = V₁ = V₂ = V₃

 

q/C = q₁/C₁ + q₂/C₂ + q₃/C₃

 

C^-1 = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃

ظرفیت کل در حالت متوالی ، وارونظرفیت معادل ، برابر است با مجموع وارون هریک ازخازنها.

 

انرژی ذخیره شده در خازن

پر شدن یک خازن باعث بوجود آمدن بار ذخیره در رویآن می‌شود و این هم باعث می‌شود که انرژی روی صفحات ذخیره گردد. کل کاری که درفرآیند پر شدن خازن انجام می‌شود از طریق محاسبه بدست می‌آید.

کاربرد خازن

با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود؛ برایایجاد میدانهای الکتریکی یکنواخت می‌توان از خازن استفاده کرد. خازنها می‌توانندمیدانهای الکتریکی را در حجمهای کوچک نگه دارند؛ به علاوه می‌توان از آنها برایذخیره کردن انرژی استفاده کرد. خازن در اشکال مختلف ساخته می‌شود

 

 

 

 

 

 

خازنوسیله‌ای الکتریکیاست که در مدارهای الکتریکی اثر خازنی ایجاد می‌کند. اثر خازنی خاصیتی است که سبمی‌شود مقداریانرژیالکتریکی در یک میدان الکترواستاتیک ذخیره شود و بعد از مدتی آزاد گردد. بهتعبیر دیگر ، خازنها المانهایی هستند که می‌توانند مقداریالکتریسیته را به صورت یک میدان الکترواستاتیک در خود ذخیره کنند. همانگونه که یک مخزن آب برایذخیره کردن مقداری آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. خازنها به اشکال گوناگون ساختهمی‌شوند و متداولترین آنهاخازنهای مسطحهستند.

این نوع خازنهااز دو صفحه هادی که بین آنهاعایق یا دی الکتریک قرار دارد. صفحات هادی نسبتا بزرگ هستند و در فاصله‌ای بسیار نزدیکبه هم قرار می‌گیرند. دی الکتریک انواع مختلفی دارد و با ضریب مخصوصی که نسبت بههوا سنجیده می‌شود، معرفی می‌گردد. این ضریب را ضریب دی الکتریک می‌نامند. خازنهابه دو دسته کلی ثابت و متغیر تقسیم بندی می‌شوند. خازنها انواع مختلفی دارند و ازلحاظ شکل و اندازه با یک دیگر متفاوت‌اند. بعضی از خازنها از روغن پر شده و بسیارحجیم‌اند. برخی دیگر بسیار کوچک و به اندازه یک دانه عدس می‌باشند. خازنها بر حسبثابت یا متغیر بودن ظرفیت به دو گروه تقسیم می‌شوند:

خازنهای ثابت

 

 

 

این خازنها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولیتغییر پیدا نمی‌کنند. خازنهای ثابت را بر اساس نوع ماده دی الکتریک به کار رفته درآنها تقسیم بندی و نام گذاری می‌کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می‌شود. ازجمله این خازنها می‌توان انواع سرامیکی ، میکا ، ورقه‌ای ( کاغذی و پلاستیکی)،الکترولیتی ، روغنی ، گازی و نوع خاص فیلم (Film) را نام برد. اگر ماده دی الکتریکطی یک فعالیت شیمیایی تشکیل شده باشد آن را خازن الکترولیتی و در غیر این صورت آنرا خازن خشک گویند. خازنهای روغنی و گازی در صنعت برق بیشتر در مدارهای الکتریکیبرای راه اندازی و یا اصلاح ضریب قدرت به کار می‌روند. بقیه خازنهای ثابت دارایویژگیهای خاصی هستند.

خازنهای متغیر

 

به طور کلی با تغییر سه عامل می‌توان ظرفیت خازن را تغیییرداد: "فاصله صفحات" ، "سطح صفحات" و "نوع دیالکتریک". اساس کار خازن متغیر بر مبنای تغییر سطح مشترک صفحات خازن یاتغییر ضخامت دی الکتریک است، ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازندارد. خازنهای متغیر عموما ازنوع عایق هوا یا پلاستیک هستند. نوعی که به وسیله دستهمتحرک (محور) عمل تغییر ظرفیت انجام می‌شود "واریابل" نامند و در نوع دیگر این عملبه وسیله پیچ گوشتی صورت می‌گیرد که به آن "تریمر" گویند. محدوده ظرفیت خازنهایواریابل 10 تا 400 پیکو فاراد و در خازنهای تریمر از 5 تا 30 پیکو فاراد است. ازاین خازنها درگیرنده‌های رادیوییبرایتنظیم فرکانس ایستگاه رادیوییاستفادهمی‌شود.

 

 

 

 

 

خازنهای سرامیکی

خازن سرامیکی (Ceramic capacitor) معمولترین خازن غیرالکترولیتی است که در آن دی الکتریک بکار رفته از جنسسرامیک است. ثابت دی الکتریک سرامیک بالا است، از این رو امکان ساخت خازنهای با ظرفیت زیاددر اندازه کوچک را در مقایسه با سایر خازنها بوجود آورده ، در نتیجه ولتاژ کار آنهابالا خواهد بود. ظرفیت خازنهای سرامیکی معمولا بین 5 پیکو فاراد تا 1/0 میکرو فاراداست. این نوع خازن به صورت دیسکی (عدسی) و استوانه‌ای تولید می‌شود و فرکانس کارخازنهای سرامیکی بالای 100 مگاهرتز است. عیب بزرگ این خازنها وابسته بودن ظرفیتآنها به دمای محیط است، زیرا با تغییر دما ظرفیت خازن تغییر می‌کند. از این خازن درمدارهای الکترونیکی ، مانند مدارهای مخابراتی و رادیویی استفاده می‌شود.

خازنهای ورقه‌ای

در خازنهای ورقه‌ای از کاغذ و مواد پلاستیکی به سببانعطاف پذیری آنها ، برای دی الکتریک استفاده می‌شود. این گروه از خازنها خود به دوصورت ساخته می‌شوند:

الف- خازن های کاغذی : دی الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکیلشده که یک دی الکتریک مناسب درون آن تزریق می گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد . برای جلوکیری از تبخیر دی الکتریک درون کاغذ ، خازن را درون یک قاب محکم و نفوذ ناپذیر قرار می دهند .
خازن های کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی الکتریک عایق آنها دارای ابعاد فیزیکی بزرگ هستند اما از مزایای این خازن ها آن است که در ولتاژ هاو جریانهای زیاد می توان از آنها استفاده کرد .در شکل زیر ساختمان داخلی خازن کاغذیمشاهده می گردد:

ب – خازنهای پلاستیکی : در ایننوع خازن از ورقه های نازک پلاستیک برای دی الکتریک استفاده می شود. ورقه هایپلاستیکی همراه با ورقه های نازک فلزی ( آلومینیومی) به صورت لوله ، در درون قابپلاستیکی بسته بندی می شوند.

امروزه این نوع خازنها به دلیل داشتن مشخصات خوب درمدارات زیاد به کار می روند . این خازنها نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند، به همین سبب از آنها در مداراتی استفاده می کنند که احتیاج به خازنی با ظرفیتثابت در مقابل حرارت باشد . یکی از انواع دی الکتریک هایی که در این خازنها به کارمی رود پلی استایرن(Polystyrene) است، از این رو به این خازنها " پلی استر " گفتهمی شود که از جمله رایج ترین خازنهای پلاستیکی است. ماکزیمم فرکانس کار خازنهایپلاستیکی حدود یک مگا هرتز است .
در شکل زیر ساختمان داخلی خازن پلاستیکی را میبینید:

خازنهای کاغذی

دی الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکیلشده که یک دی الکتریک مناسب درون آن تزریق می‌گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد. برایجلوگیری از تبخیر دی الکتریک درون کاغذ ، خازن را درون یک قاب محکم و نفوذ ناپذیرقرار می‌دهند. خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی الکتریک عایق آنها دارایابعاد فیزیکی بزرگ هستند، اما از مزایای این خازنها آن است که در ولتاژها وجریانهای زیاد می‌توان از آنها استفاده کرد.

خازنهای پلاستیکی

در این نوع خازن از ورقه‌های نازک پلاستیک برای دیالکتریک استفاده می‌شود. ورقه‌های پلاستیکی همراه با ورقه‌های نازک فلزی(آلومینیومی) به صورت لوله ، در درون قاب پلاستیکی بسته بندی می‌شوند. امروزه ایننوع خازنها به دلیل داشتن مشخصات خوب در مدارات زیاد به کار می‌روند. این خازنهانسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند، به همین سبب از آنها در مداراتی استفادهمی‌کنند که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت باشد. یکی از انواع دیالکتریکهایی که در این خازنها به کار می‌رودپلی استایرن (Polystyrene) است، از این رو به این خازنها "پلی استر" گفته می‌شود که از جمله رایج‌ترین خازنهایپلاستیکی است. ماکزیمم فرکانس کار خازنهای پلاستیکی حدود یک مگا هرتز 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 قرارداده می‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگیری شود. ظرفیت خازنهای میکا تقریبا بین 01/0 تا 1 میکرو فاراد است. از ویژگیهای اصلی و مهم این خازنها می‌توان داشتن ولتاژ کاربالا ، 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 خازنهایثابت بزرگتر است. نام دیگر این خازنها، شیمیایی است. علت نامیدن آنها به این ناماین است که دی ‌الکتریک این خازنها را به نوعی مواد شیمیایی آغشته می‌کنند که درعمل ، 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. رویبدنه خازن کنار پایه منفی ، علامت – نوشته شده است. مقدار واقعی ظرفیت و ولتاژ قابلتحمل آنها نیز روی بدنه درج شده است .خازنهای الکترولیتی در دو نوع آلومینیومی وتانتالیومی ساخته می‌شوند.