خازن چیست؟ چه کاربردهایی دارد؟

حتما برای شما پیش آمده که این سوال را از خود بپرسید که خازن چیست؟ گاه هنگام کار کردن با رایانه خود به طور ناگهانی با قطعی برق مواجه می شوید و نگران از بین رفتن اطلاعات خود هستید از طرفی این نوسانات الکتریکی می توانند آسیب های غیر قابل جبرانی بر جای بگذارند اما سوال این است که چه قطعه ای در مدار مانع از رخداد چنین اتفاقاتی می شود؟ خازن ها وسیله ای برای ذخیره بار الکتریکی هستند که در ادامه با تعریف خازن، انواع خازن و کاربردهای آن بیشتر آشنا خواهید شد.

خازن چیست؟

برای پاسخ دادن به پرسش ” خازن چیست” تعاریف زیادی را می توان در نظر داشت در واقع خازن وسیله ای برای ذخیره انرژی الکتریکی است که از دو صفحه رسانا در نزدیکی هم تشکیل شده است و میان این دو صفحه یک عایق وجود دارد. در واقع خازن شبیه به یک باتری کوچک قابل شارژ است.

وظیفه خازن این است که بارهای الکتریکی را بر روی این دو صفحه ی رسانا جمع و ذخیره کند. به طوریکه هر رسانا بارهای مثبت و یا منفی را در خود ذخیره می کند. به عنوان مثال اگر بارهای مثبت +Q روی یکی از رساناها و مقدار مساوی از همین بار اما از نوع منفی –Q روی صفحه دیگر باشد می توانیم بگوییم که خازن دارای بار Q است.

اگر بخواهیم خازن ها را بر اساس فعال یا غیرفعال بودن شان دسته بندی کنیم آنها در دسته اجزای غیر فعال مدار محسوب می شوند با این حال نقش اساسی را در مدار ایفا می کنند. در واقع به دلیل اینکه خازن ها وظیفه ذخیره سازی بارهای الکتریکی را بر عهده دارند آنها را به نام ظرفیت نیز می شناسند و طراحی آن جهت افزودن ظرفیت به مدار الکتریکی است.

شیوه ی عملکرد خازن ها بدین صورت است که از طریق جداسازی دو صفحه موازی با بارهای ناهمنام، یک میدان الکتریکی داخلی در فضای میان دو صفحه به وجود می آید و قدرت میدان به ماده دی الکتریک میان دو صفحه بستگی دارد و همین ماده ظرفیت خازن را کم یا زیاد می کند.

در واقع دی الکتریک میان دو صفحه موازی می تواند با خلا یا مواد دیگری پر شود که رایج ترین و ساده ترین آن هوا است. با این حال شیشه، کاغذ، پلاستیک، سرامیک و حتی یک ناحیه تخلیه نیمه رسانا که از نظر شیمیایی یکسان با صفحات باشد نیز می توانند جایگزین هوا شوند.

بر اساس قانون کولن، بار روی یک رسانا در خازن نیرویی بر حمل کننده های بار در رسانای دیگر وارد می کند و به این ترتیب هر صفحه رسانا بار قطب مخالف را جذب و بارهای قطبی مشابه را دفع می کند و از این طریق بار الکتریکی مخالف در هر صفحه ی خازن القا می شود. بنابراین صفحات رسانا، بارهای مساوی و مخالف را روی سطوح خود نگه می دارند و عایق یا همان دی الکتریک، یک میدان الکتریکی ایجاد می کند.

حال که پی بردید خازن چیست، باید بگوییم که برای بیان قدرت یا کارایی خازن ها از واحد فاراد استفاده می شود که یکی از واحدهای سیستم SI است که برای تعریف ظرفیت یک خازن ایده آل با حرف اختصار C به کار می رود و از تقسیم بار مثبت یا منفی یکی از رساناهای خازن بر ولتاژ بین دو صفحه تعریف می شود.

C=Q/V

با این تعریف اگر ظرفیت خازنی یک فاراد باشد به این معنی است که ولتاژ یک ولت می تواند یک کولن بار را روی هر یک از صفحات رسانا ایجاد کند( کولن واحد بارهای الکتریکی است). نزدیک بودن صفحات خازن به یکدیگر باعث می شود که بارهای مخالف موجود روی صفحات همدیگر را جذب کنند و به خازن این امکان را می دهد که بار بیشتری را در ازای ولتاژ معین نسبت به زمانی که رساناها جدا شده اند، ذخیره و ظرفیت بزرگتری را ایجاد کند.

خازن ها معمولاً به عنوان یک قطعه الکترونیکی در مدارها و دستگاه های مدرن استفاده می شوند همچنین آنها دارای تاریخچه طولانی به قدمت 250 سال هستند که می توان از آنها به عنوان قدیمی ترین قطعه الکترونیکی نام برد و در حال حاضر نیز به وفور در صنایع مختلف در حال استفاده هستند. با پیشرفت فناوری، انواعی از خازن ها تولید شدند که هر کدام امکانات مخصوصی را ارائه می کردند که در ادامه به توضیح آنها می پردازیم.

ذخیره سازی بار الکتریکی توسط خازن

ذخیره سازی بار الکتریکی توسط خازن به ارتباط میان صفحات رسانا و عایق دی الکتریک مربوط می شود. قبلا گفته شد که در خازن ها، صفحات رسانای موازی با اتصال به جریان الکتریکی، بارهای الکتریکی را روی سطح خود ذخیره می کنند و عایق دی الکتریک میان دو صفحه این بارهای مثبت و منفی را ، در میدان بوجود آمده در فضای دو صفحه منتقل می کند و به این ترتیب خازن شارژ می شود.

توجه داشته باشید که برای مجموعه ای از صفحات موازی، میدان الکتریکی بین صفحات با معادله زیر به اختلاف پتانسیل میان دو صفحه ارتباط داده می شود:

برای خازن صفحه موازی: E = V / d

برای یک اختلاف پتانسیل معین (یعنی برای یک ولتاژ معین)، هرچه ثابت دی الکتریک بیشتر باشد، بار بیشتری می تواند در خازن ذخیره شود. برای یک خازن صفحه موازی با دی الکتریک بین صفحات، ظرفیت خازن برابر است با:

C=A/d.Ɛ

انرژی ذخیره شده در خازن برابر با میزان کاری است که برای ایجاد بار روی صفحات نیاز داریم به این معنی که با افزایش ظرفیت خازن، شارژ کردن آن نیز سخت تر می شود و به زمان بیشتری احتیاج دارد. در واقع انرژی در خصوص خازن ها به معنای میزان بار الکتریکی ذخیره شده در آنها است و با اختلاف پتانسیل(U) دو سر خازن رابطه مستقیم دارد بنابراین انرژی ذخیره شده در خازن برابر است با:

 U = 1/2 C V2

ظرفیت و ولتاژ خازن چیست؟

ظرفیت خازن میزان باری است که خازن می تواند بر روی صفحات رسانای خود متناسب با ولتاژ اعمالی به دو سر خازن ذخیره کند از این رو خازن های مختلف میزان متفاوتی از بار را می توانند ذخیره کنند و به همین دلیل در موارد مصرف و کاربرد با هم تفاوت دارند.

ظرفیت خازن با حرف C نمایش داده می شود و برابر است با:

C=Q/V

در این فرمول واحد بار بر حسب کولن و واحد ولتاژ ولت خواهد بود همچنین ظرفیت نیز با واحد فارادی یا کولن بر ولت تعریف می شود. ولتاژ خازن به بارهای جمع آوری روی صفحات و میدانی که توسط آنها بوجود می آید بستگی دارد. تجمع بارهای مثبت و منفی در صفحات خازن ولتاژی را در دو سر خازن بوجود می آورد که با بار روی صفحات رابطه عکس دارد، در صورت ثابت بودن بار با افزایش ولتاژ دو سر خازن ظرفیت آن کاهش می یابد.

انواع خازن

پس از آنکه پی بردید خازن چیست باید با انواع آن آشنا شوید. همانطور که گفته شد ماده عایق میان دو صقحه رسانا در خازن ها می تواند از مواد مختلفی باشد که هر کدام نوع خاصی از خازن ها را بوجود می آورند و با توجه به این واقعیت، انواع خازن ها به شرح زیر است:

• خازن الکترولیتی

به طور کلی، خازن های الکترولیت زمانی استفاده می شوند که خازن هایی با ظرفیت های بزرگ مورد نیاز است. در این نوع خازن در یک سمت، از الکترودی با یک فلز نازک لایه لایه و در سمت دیگر از محلول الکترولیت نیمه مایع که به صورت ژله یا خمیر است استفاده می شود. همچنین صفحه دی الکتریک نیز از یک لایه اکسید با ضخامت کمتر از ده میکرون (ده میکرومتر) تشکیل شده است که این عایق بسیار نازک می تواند ظرفیت زیادی را برای خازن های الکترولیتی ایجاد کند.

کاربرد خازن های الکترولیتی عموماً در مدارهایی است که از منبع تغذیه با جریان مستقیم یا DC بهره می برند که علت آن به ظرفیت خازنی بالا در خازن های الکترولیتی و کاهش ریپل ولتاژ بر می گردد.

• خازن میکا

این خازن متشکل از مواد معدنی است و نوعی از آنها به نام خازن های نقره ای میکا از دی الکتریک نیز در ساختارشان استفاده می شود. همچنین نوع دیگری از خازن های میکا نوع گیره دار هستند که تا حدودی منسوخ شده اند.

خازن های میکا برای طراحی خازن هایی پایدار و قابل اعتماد در اندازه های کوچک استفاده می شوند، تلفات در این نوع خازن کم است و به همین دلیل در فرکانس های بالا استفاده می شوند. علت پایداری خازن های میکا ساختار کریستالی خاص و لایه لایه در آنها است. همچنین انواعی از خازن های میکا مقاومت بالایی در برابر حرارت دارند.

• خازن کاغذ

یکی دیگر از انواع خازن ها خازن کاغذی است که در آن رساناهای موازی دو ورق فویل از جنس حلب هستند و عایق میان آنها از کاغذ است. در نهایت مجموعه این فویل ها و کاغذهای نازک به شکل استوانه در می آیند و درون کپسول پلاستیکی قرار داده می شوند.

امروزه بجای کاغذ از موادی مانند پلاستیک در این نوع خازن ها استفاده می شود اما از آنجا که در ابتدا از کاغذ بهره می بردند همچنان آنها را با نام خازن کاغذی می شناسند. محدوده ظرفیت خازن کاغذی از  0.001 تا 2.000 میکروفاراد است و ولتاژهای بسیار بالایی در حدود 2000 ولت را می توانند تحمل کنند.

• خازن فیلم

در این نوع از خازن ها از پلاستیک به عنوان ماده دی الکتریک استفاده می شود و انواع مختلفی از خازن های فیلم شامل پلی استر، متالیزه، پلی پروپیل،  PTEو پلی استایرن وجود دارد که تفاوت اصلی آنها در نوع دی الکتریک است که انتخاب دی الکتریک مناسب به خواصی که ارائه می دهد و موارد استفاده آن بستگی خواهد داشت. مزیت خازن های فیلم، پایداری آنها و هزینه مناسب شان است. خازن فیلم PTE یک مقاومت حرارتی است و در فناوری هوافضا از آن استفاده می شود.

• خازن های غیر پلاریزه

خازن های غیر پلاریزه به دو نوع خازن فویل پلاستیکی و دیگری خازن غیرقطبی الکترولیتی طبقه بندی می شوند. خازن غیرقطبی به منبع تغذیه AC به صورت سری یا موازی  نیاز دارد.

• خازن سرامیکی

این خازن ها از مواد سرامیکی به عنوان دی الکتریک استفاده می کنند چرا که سرامیک ها یکی از اولین موادی هستند که در تولید خازن ها به عنوان عایق استفاده می شود. خازن های سرامیکی در شکل های مختلف یافت می شوند که ساختار برخی از آنها به صورت لوله ای از سرامیک است.

کاربرد خازن

تا اینجا متوجه شدید که خازن چیست و با انواع مختلف آن آشنا شدید. حالا باید با کاربردهای خازن نیز آشنا شوید. خازن ها کاربردهای مهم زیادی دارند. برای مثال آنها در مدارهای دیجیتال استفاده می شوند تا اطلاعات ذخیره شده در حافظه رایانه در هنگام قطعی لحظه ای برق از بین نرود همچنین انرژی الکتریکی ذخیره شده در چنین خازن هایی اطلاعات را در طول قطع موقت برق حفظ می کند.

خازن ها نقش مهم تری به عنوان فیلتر برای منحرف کردن سیگنال های الکتریکی جعلی و در نتیجه جلوگیری از آسیب به اجزا و مدارهای حساس ناشی از نوسانات الکتریکی دارند. کاربردهای خازن به قابلیت شارژ شدن آنها برمی گردد و به همین دلیل به وفور در مدارهای الکتریکی به کار می روند.

کاربرد دیگر خازن ها در لامپ فلاش دوربین است که باید در مدت زمان کوتاهی شارژ شود و باتری ها فقط در تامین مقدار کمی از شارژ، آن هم در مدت طولانی کاربرد دارند. بنابراین بهترین روش برای شارژ آن ها، این است که شارژ از باتری به خازن منتقل شود. سپس خازن به سرعت از طریق لامپ فلاش تخلیه می شود و برای مدت کوتاهی لامپ را روشن می کند.

سخن پایانی

با خواندن این مقاله توانستید پاسخ سوال خازن چیست را پیدا کنید. همچنین درباره انواع خازن و کاربرد آن ها به خوبی اطلاعات پیدا کردید و دریافتید که خازن ها در زندگی امروزه پرکاربرد هستند.

اگر علاقه دارید که در زمینه سیم و کابل اطلاعات کافی به دست آورید، خوشحال می شویم که از سایر مقالات سایت بازدید کنید و نظرات خود را با ما به اشتراک بگذارید. همچنین اگر قصد خرید دارید می توانید از طریق سایت محصولات را مشاهده کرده و با کارشناسان ما در تماس باشید.

سوالات متداول

• خازن چیست؟

خازن وسیله ای برای ذخیره انرژی الکتریکی است که از دو صفحه رسانا در نزدیکی هم تشکیل شده است و میان این دو صفحه یک عایق وجود دارد. در واقع خازن شبیه به یک باتری کوچک قابل شارژ است که بارهای الکتریکی را بر روی این دو صفحه ی رسانا جمع و ذخیره می کند.

• چند نوع از خازن ها در بازار وجود دارد؟

خازن های انواع مختلفی دارند. انواع خازن عبارتند از: خازن میکا، خازن الکترولیتی، خازن کاغذ، خازن سرامیکی،خازن های غیر پلاریزه و خارن فیلم.