در این فیلم آموزشی با خازن و روش باردار کردن آن آشنا خواهید شد. همچنین موضوعاتی مانند ظرفیت خازن و خازن با دی الکتریک نیز به شما آموزش داده می شود.
خازن چیست؟
خازن وسیله‌ای الکتریکی است که می تواند بار و انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. به عنوان مثالی از کاربرد خازن بهتر است بدانید باتریهای یک دوربین با باردار کردن یک خازن، انرژی را در خازن فلاش دوربین ذخیره می‌کنند. باتری ها میتوانند انرژی را فقط با آهنگ 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 زیر چند خازن را در اندازه‌ها و شکل‌های مختلف نشان می‌دهد.
همانطور که در تصویر مشخص است خازن ها متناسب با کاربردی که دارند در اندازه های مختلف ساخته می شوند. خازنها به‌طور گسترده‌ای در مدارهای الکترونیکی وسایلی مانند رادیو، تلویزیون، رایانه، گوشی همراه و… به‌کار میروند.
ساختار خازن شامل دو جسم رسانا است که توسط ماده ای عایق از هم جدا شده اند. به این اجسام رسانا که می تواند فلز یا آب نمک باشد صفحات خازن می گویند.
خازن وسیله‌ای الکتریکی است که می تواند بار و انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند.
خازن تخت
خازن تخت یا خازن مسطح رایج ترین نوع خازن است. خازن تخت از دو صفحه رسانا موازی با مساحت A تشکیل شده است که در فاصله d از یکدیگر قرار دارند. توجه کنید که مقدار d در برابر A بسیار اندک است. یعنی فاصله بین دو خازن بسیار کوچکتر از ابعاد دو صفحه می باشد.
شارژ کردن خازن
روش ساده و مرسوم برای باردار کردن خازن قرار دادن آن در مدار الکتریکی ساده‌ای است که یک باتری دارد. زمانی که کلید وصل شود (مطابق بخش الف شکل زیر) بار از طریق سیم‌های رسانا جریان مییابد. این شارش بار تا هنگامی ادامه پیدا میکند که اختلاف پتانسیل میان دو صفحه خازن با اختلاف پتانسیل بین پایانه باتری برابر شود. با به وجود آمدن اختلاف پتانسیل الکتریکی روی یکی از صفحات بار مثبت و روی صفحه دیگر بار منفی به همان اندازه قرار می گیرد. در این حالت خازن پر یا اصطلاحا شارژ شده است.
بار یک خازن را بهصورت Q نشان میدهند که همان بار صفحه مثبت است. بین دو صفحه خازن باردار یک میدان الکتریکی ایجاد میشود که (مطابق بخش ب شکل زیر) خطوط این میدان از صفحه مثبت به منفی است.
همان طور که در تصویر مشخص است صفحه های این خازن بارهایی هم‌اندازه و با علامت مخالف پیدا می‌کنند. میدان الکتریکی از صفحۀ مثبت به سمت صفحۀ منفی است.
برای باردار کردن خازن باید آن را در مدار الکتریکی قرار داد که یک باتری داشته باشد.
ظرفیت خازن
اگر اختلاف پتانسیل بین صفحه‌های خازن (ΔV) را زیاد کنیم، بار خازن (Q) نیز به همان افزایش می یابد. بنابراین نسبت بین بار خازن و اختلاف پتانسیل صفحه های آن همواره مقداری ثابت است که به این نسبت ثابت، ظرفیت خازن می گویند و آن را C نمایش می دهند. ظرفیت خازن به بار و ولتاژ یا همان اختلاف پتانسیل آن بستگی ندارد و تنها به ساختمان خازن بستگی دارد.
در رابطه ظرفیت خازن یکای بار الکتریکی کولن، یکای اختلاف پتانسیل ولت و یکای ظرفیت خازن کولن بر ولت می باشد. به احترام مایکل فارادی یکای خازن را فاراد می نامند و با F نشان می دهند.
خازن با دی الکتریک
اگر فضای میان صفحه‌های یک خازن را با ماده‌ای عایق مانند کاغذ یا پلاستیک پر کنیم ظرفیت آن افزایش می یابد. مایکل فارادی نخستین بار با آزمایشی ساده به این قضیه پی برد. فارادی با استفاده از وسایل ساده ای دریافت که ظرفیت خازن با ضریبی موسوم به ثابت دی الکتریک ماده عایق افزایش می یابد.
فرض کنید خازنی را نخست توسط یک باتری باردار و سپس از باتری جدا کرده ایم. اکنون فضای داخل این خازن را با یک دی الکتریک یا همان ماده عایق پر میکنیم. توجه کنید که دی الکتریک ها بر دو نوعاند: قطبی و غیرقطبی. وقتی یک دیالکتریک قطبی (مانند آب، NH3 ،HCl) در میدان الکتریکی بین دو صفحه خازن قرار می‌گیرد، سر منفی مولکولهای دوقطبی به طرف صفحه مثبت و سر مثبت آنها به طرف صفحه منفی کشیده میشود و درنتیجه این مولکولهای دوقطبی میکوشند خود را در جهت میدان الکتریکی بین دو صفحه خازن ردیف کنند.
وقتی یک دیالکتریک غیرقطبی (مانند متان، بنزن و…) در میدان بین دو صفحه خازن قرار می گیرد مطابق شکل زیر بر اثر القا قطبیده میشود؛ یعنی میدان الکتریکی اعمال شده باعث میشود که ابر الکترونی مولکولهای دی الکتریک در خلاف جهت میدان جابه جا شود. به این ترتیب، مرکز ارهای مثبت و منفی مولکولها از هم جدا شده و اصطالحا مولکول ها قطبیده می شوند.
میتوان نشان داد این رفتار مولکولهای دی الکتریک (قطبی یا غیرقطبی) میدان الکتریکی بین صفحه‌های خازن، سبب افزایش ظرفیت خازن میشود.
ظرفیت یک خازن که بین مولکول های آن از ماده عایق استفاده شده است از رابطه زیر به دست می آید:
در این رابطه در آن ε0 همان ضریب گذردهی الکتریکی خلا و k ثابت ماده دی الکتریک می باشد. همانطور که می دانید A مساحت صفحه خازن و فاصله بین صفحات می باشد.
با قرار دادن ماده دی الکتریک بین دو صفحه می توان ظرفیت خازن را افزایش داد .
فرو ریزش الکتریکی
اثر دیگر حضور دی الکتریک‌ها درخازن، افزایش حداکثر ولتاژ قابل تحمل خازن است. اگر اختلاف پتانسیل دو صفحه یک خازن را به اندازه کافی زیاد کنیم، تعدادی از الکترون‌های اتم‌های ماده دی الکتریک توسط میدان الکتریکی ایجادشده بین دو صفحه، کنده می‌شوند و مسیرهایی رسانا درون دیالکتریک ایجاد می شوند که سبب تخلیه خازن می شود. این پدیده را فروریزش الکتریکی ماده دی الکتریک می نامند. فروریزش الکتریکی در عایق بین صفحات معمولا با ایجاد یک جرقه همراه است و در اغلب موارد موجب سوختن خازن می شود. به علت بر روی خازن ها ظرفیت و حداکثر انرژی پتانسیلی که می توانند تحمل کنند درج می شود.
انرژی خازن
وقتی صفحه‌های خازن دارای بار الکتریکی می‌شوند در خازن انرژی ذخیره میشود. برای اینکه انرژی ذخیره‌شده در خازن را مشاهده کنیم، کافی است دو سر یک خازن پرشده را به دو سر یک لامپ کوچک وصل کنیم. به‌شرط آنکه ظرفیت و اختالف پتانسیل خازن به اندازه کافی زیاد باشد لامپ برای مدتی روشن و سپس خاموش میشود. درهنگام شارژ شدن خازن توسط باتری، دائما باری جزئی از یک صفحه خازن جدا و به صفحه دیگر منتقل می شود. در فرآیند باتری روی این بار کار انجام می دهد. هنگام انتقال بار، اختلاف پتانسیل دو صفحه خازن نیز به آهستگی افزایش مییابد. بنابراین، برای انتقال بارهای بعدی به کار بیشتری نیاز است. این کار به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی در میدان الکتریکی فضای بین صفحه‌های خازن ذخیره میشود و با رابطه زیر محاسبه می شود:
وقتی صفحه‌های خازن دارای بار الکتریکی می‌شوند در خازن انرژی ذخیره میشود.
مثال
برای آشنایی بیشتر با مسائل مربوط به خازن به نمونه سوالی درباره آن توجه نمایید:
در حالیکه دو سر یک خازن به باتری متصل است فاصلۀ میان دو صفحۀ آن را دو برابر میکنیم و فضای بین دو صفحه را که قبلاً خالی بوده است با عایقی به ثابت دیالکتریک 3 پر کردهایم. بار، ولتاژ، اندازۀ میدان بین دو صفحه و انرژی ذخیره شده در خازن چند برابر میشود؟
پاسخ:
از آنجا که دو سر خازن به باتری وصل است ولتاژ آن ثابت است. با توجه به اینکه فاصله دو برابر شده است پس d نیز دو برابر می شود. k که ثابت دی الکتریک است نیز 3 شده که نسبت به ثابت دی الکتریک هوا که 1 است سه برابر شده است.
با توجه به روابطی که از قبل داریم ظرفیت خازن 1.5 برابر شده است. ولتاژ نیز ثابت است پس بار خازن نیز مانند ظرفیت آن 1.5 برابر می شود. اندازه میدان نیز با توجه به دو برابر شدن d نصف می شود. انرژی ذحیره شده در خازن نیز 1.5 برابر می شود.
برای آشنایی کامل با خازن و نمونه سوالات امتحانی و تست های کنکور خازن همراه با پاسخ حتما ویدئو آموزشی را به طور کامل مشاهده کنید.
سوالات متداول
خازن وسیله‌ای الکتریکی است که می تواند بار و انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. ساختار خازن شامل دو جسم رسانا است که توسط ماده ای عایق از هم جدا شده اند. به این اجسام رسانا که می تواند فلز یا آب نمک باشد صفحات خازن می گویند. از خازنها در مدارهای الکترونیکی وسایلی مانند رادیو، تلویزیون، رایانه، گوشی همراه و… استفاده می شود.
به عنوان مثال باتریهای یک دوربین با باردار کردن یک خازن، انرژی را در خازن فلاش دوربین ذخیره می‌کنند. باتری ها میتوانند انرژی را فقط با آهنگ 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.
