خازن

[moji5]

خازن وسیله الکتریکی است کخ در مدارهای الکتریکی اثر خازنی ایجاد می کند . اثر خازنی حاصیتی است که سبب می شود مقداری انرژی الکتریکی در یک میدان الکترواستاتیک ذخیره شود و بعد از مدتی آزاد گردد . به تعبیر دیگر ، خازنها المانهایی هستند که می توانند مقداری الکتریسیته را بصورت یک میدان الکترواستاتیک در خود ذخیره کنند . همانگونه که یک مخزن آب برای ذخیره کردن مقداری آب مورد استفاده قرار می گیرد . خازنها به اشکال گوناگون ساخته می شوند که متداول تریم آنها خازنهای مسطح هستند . این نوع خازنها از دو صفحه ی هادی که بین آنها عایق یا دی الکتریک قرار دارد ، تشکیل می شوند . صفحات هادی نسبتا بزرگ اند و در فاصله ای بسیار نزدیک به هم قرار می گیرند . دی الکتریک انواع مختلفی دارد و با ضریب مخصوصی که نسبت به هوا سنجیده می شود ، معرفی می گردد . این ضریب را ضریب دی الکتریک می گویند .

شارژ خازن

باری اینکه خازن شارژ شود - یعنی انرژی الکتریکی را ذخیره کند - باید آن را به یک پتانسیل ( ولتاژ ) وصل کرد . بعضی از خازنها پلاریته دارند یعنی باید در هنگام اتصال به باتری قصب مثبت باتری به مثبت خازن وصل شود و قطب منفی باتری به منفی خازن وصل شود .

http://images.google.com/images?q=tbn:1sHuGheMtdIJ:hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/imgele/cape.gif



انواع خازنها

ثابت : کاغذی . میکا . الکترولیتی . سرامیک
متغیر : خازن هوا . خازن تریمر

خازن های ثابت :

در خازن های ثابت ، ظرفیت از پیش تعیین شده و ثابت است و مقدار آن را بعد از ساخت نمی توان تغییر داد . خازن های ثابت را معمولا با جنس دی الکتریک به کار رفته در آنها می شناسند .

خازن کاغذی :

خازنهای کاغذی به دلیل ارزان بودن و اندازه کوچکشان مورد استفاده فراوان قرار می گیرند . جنس دی الکتریک آنها کاغذ آغشته به پارافین است و در ولتاژ پیش از 600 ولت مورد استفاده قرار می گیرند . صفحات این خازنها به صورت نوارهای صاف و طویل از جنس ورقه های قلع است . کاغذ آغشته به پارافین بین دو صفحه ، حکم دی الکتریک را دارد و این هر سه بصورت لوله ، پیچیده شده اند و داخل یک استوانه قرار می گیرند .



خازن میکا :

خازن میکا از تعدادی ورقه ی نازک میکا به عنوان دی الکتریک و ورقه های نازک فلزی تشکیل می شوند . این ورقه ها به صورت یک در میان روی هم قرار می گیرند . ورقه های فلزی در دو دسته به یک دیگر متصل شده اند تا سطح موثر هر صفحه ی خازن را بزرگتر کنند و ظرفیت خازن بالا رود . هر چه مقدار صفحات فلزی بیش تر و اندازه ی آنها بزرگتر باشد ، ظرفیت خازن افزایش می یابد . مجموعه ورقه های میکا و فلز در یک کپسول قرار می گیرند .

خازن الکترولیتی :

خازن های الکترولیتی دارای قطبیت معینی است و از آن در مدار های dc استفاده می شود . یک صفحه از خازن الکترولیتی مثبت است که به سر مثبت منبع وصل می شود . صفحه دیگر منفی است و به سر منفی منبع متصل می گردد . ظرفیت این خازن ها بالا و از چند میکروفاراد تا چند هزار میکروفاراد است . ولتاژ شکست این خازن ها معمولا کم و جریان نشتی انها نسبت به سایر خازنها زیاد است . خازن های الکترولیتی را با الکترولیت مایع و هم با الکترولیت خشک می سازد .

http://images.google.com/images?q=tbn:SzphgOAQL9QJ:www.bartleby.com/images/A4images/A4capaci.jpghttp://images.google.com/images?q=tbn:fjh6BNev2eAJ:static.howstuffworks.com/gif/camera-flash-5.jpg

خازن سرامیک :

خازنهای سرامیک دارای دی الکتریک بالا با توان بالا و اندازه کوچک هستند . از این خازنها در فرکانس های بالا استفاده می شود . صفحات خازن سرامیکی از جنس نقره و به صورت صفحات بیسار نازکی هستند که ماده ی دی الکتریک بین آنها را سرامیک تشکیل می دهد . این خازنها از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک اند . ظرفیت خازنهای سرامیکی از چند پیکوفاراد تا میکروفاراد متغیر است . ولتاژ شکست این خازنها زیاد است و می تواند در ولتاژ های بالا ( چندین هزار ولت ) کار کنند .

http://images.google.com/images?q=tbn:IGtVh6moegwJ:www.play-hookey.com/dc_theory/images/capacitor_disc_construction.gif

خازنهای متغیر :

خازنها متغیر خازنهایی هستند که ظرفیت آنها در هر لحظه می توان از حداقل تا حداکثر تغییر داد . با خازنهای متغیر می توان ظرفیت مورد نیاز را تنظیم کرد . از این گونه خازنها در فرکانس های پایین ، متوسط و بالا استفاده می شود . محدوده فرکانس های پایین از 250 پیکو تا 500 پیکو و برای فرکانس ها بالا حدود چند پیکو فاراد است .

خازن هوا :

خازنی است که دی الکتریک آن هوا است و بیشتر برای انتخاب فرکانس مناسب در گیرنده ها با یک سلف به طور موازی بسته می شود . این گونه خازنها از چندین صفحه متحرک اند . صفحات به صورت یک در میان به فاصله منظم از یک دیگر قرار دارند . با چرخش محور که به صفحات متحرک کتصل است ، صفحات متحرک بین صفحات ثابت حرکت می کنند ، سطح موثر صفحات تغییر می کند و در نتیجه ، ظرفیت خازن نیز متناسب با گردش محور تغییر می کند .

file:///D:/Documents%20and%20Settings/Emdad/My%20Documents/e%20l%20e%20c%20t%20r%20o%20n%20i%20c_files/images%283%29.jpghttp://images.google.com/images?q=tbn:pv0dTEf6c84J:www.mtmscientific.com/cap3.jpg

خازن تریمر :

این خازنها بسیار کوچک اند و در مدارها بکمک پیچ گوشتی می توان آنها را تنظیم کرد . با تغییر دادن فاصله بین صفحات ، ظرفیت خازن تغییر می کند . ماده عایق این خازنها معمولا میکا یا سرامیک است . از این خازنها در فرکانس های بالا استفاده فراوان می شود .

http://images.google.com/images?q=tbn:aFI5lXs1xnQJ:www.6v6.co.uk/candypress/ProdImages/CAPV-MIN200PF.jpg

[moji5]

مقدمه

خازن المان الکتریکی است که می‌تواند انرژی الکتریکی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C+%D8% A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) را توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D8%A7%D8%B1+%D8%A7%D9%84%DA% A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C)) در خود ذخیره کند. انواع خازن (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D9%86%D9%88%D8%A7%D8%B9+%D8% AE%D8%A7%D8%B2%D9%86) در مدارهای الکتریکی بکار می‌روند. خازن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش می‌دهند. ساختمان داخلی خازن از دو قسمت اصلی تشکیل می‌شود:


الف – صفحات هادی
ب – عایق بین هادیها (دی الکتریک)
ساختمان خازن

هرگاه دو هادی در مقابل هم قرار گرفته و در بین آنها عایقی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%85%D9%88%D8%A7%D8%AF+%D8%B9%D8% A7%DB%8C%D9%82) قرار داده شود، تشکیل خازن می‌دهند. معمولا صفحات هادی خازن از جنس آلومینیوم ، روی و نقره با سطح نسبتا زیاد بوده و در بین آنها عایقی (دی الکتریک) از جنس هوا ، کاغذ ، میکا ، پلاستیک ، سرامیک ، اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم استفاده می‌شود. هر چه ضریب دی الکتریک یک ماده عایق بزرگتر باشد آن دی الکتریک دارای خاصیت عایقی بهتر است. به عنوان مثال ، ضریب دی الکتریک هوا 1 و ضریب دی الکتریک اکسید آلومینیوم 7 می‌باشد. بنابراین خاصیت عایقی اکسید آلومینیوم 7 برابر خاصیت عایقی هوا است.
انواع خازن

الف- خازنهای ثابت (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AE%D8%A7%D8%B2%D9%86%D9%87%D8%A 7%DB%8C+%D8%AB%D8%A7%D8%A8%D8%AA)


سرامیکی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AE%D8%A7%D8%B2%D9%86%D9%87%D8%A 7%DB%8C+%D8%B3%D8%B1%D8%A7%D9%85%DB%8C%DA%A9%DB%8C )
خازنهای ورقه‌ای (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AE%D8%A7%D8%B2%D9%86%D9%87%D8%A 7%DB%8C+%D9%88%D8%B1%D9%82%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB %8C)
خازنهای میکا (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AE%D8%A7%D8%B2%D9%86%D9%87%D8%A 7%DB%8C+%D9%85%DB%8C%DA%A9%D8%A7)
خازنهای الکترولیتی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AE%D8%A7%D8%B2%D9%86%D9%87%D8%A 7%DB%8C+%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%84 %DB%8C%D8%AA%DB%8C)

آلومینیومی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AE%D8%A7%D8%B2%D9%86+%D8%A2%D9% 84%D9%88%D9%85%DB%8C%D9%86%DB%8C%D9%88%D9%85%DB%8C )
تانتالیوم (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AE%D8%A7%D8%B2%D9%86+%D8%AA%D8% A7%D9%86%D8%AA%D8%A7%D9%84%DB%8C%D9%88%D9%85)



ب- خازنهای متغیر (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AE%D8%A7%D8%B2%D9%86%D9%87%D8%A 7%DB%8C+%D9%85%D8%AA%D8%BA%DB%8C%D8%B1)


واریابل
تریمر

انواع خازن بر اساس شکل ظاهری آنها



مسطح
کروی
استوانه‌ای

انواع خازن بر اساس دی الکتریک آنها



خازن کاغذی
خازن الکترونیکی
خازن سرامیکی
خازن متغییر




http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/2/23/SphericaCapacitance4.JPG
خازن کروی

خازن مسطح (خازن تخت)

دو صفحه فلزی موازی که بین آنها عایقی به نام دی الکتریک قرار دارد، مانند (هوا ، شیشه). با اتصال صفحات خازن به یک مولد می‌توان خازن را باردار کرد. اختلاف پتانسیل (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%BE%D8%AA%D8%A7%D9%86%D8%B3%DB%8 C%D9%84+%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9 %DB%8C) بین دو سر صفحات خازن برابر اختلاف پتانسیل دو سر مولد خواهد بود.
ظرفیت خازن (C)

نسبت مقدار باری که روی صفحات انباشته می‌شود بر اختلاف پتانسیل 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 برحسب ولت



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 است و برای محیطهای دیگر مانند شیشه و روغن 1


A = سطح خازن بر حسب m2


d =فاصله بین دو صفه خازن بر حسب m



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/a/a6/Capacitance1.JPG
چند نکته



آزمایش نشان می‌دهد که ظرفیت یک خازن به اندازه بار (q) و به اختلاف پتانسیل دو سر خازن (V) بستگی ندارد بلکه به نسبت q/v بستگی دارد.
بار الکتریکی ذخیره شده در خازن با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم دارد. 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 و C a K

شارژ یا پر کردن یک خازن

وقتی که یک خازن بی بار را به دو سر یک باتری (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D8%A7%D8%AA%D8%B1%DB%8C) وصل کنیم؛ الکترونها در مدار جاری می‌شوند (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AC%D8%B1%DB%8C%D8%A7%D9%86+%D8% A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C). 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 بار منفی پیدا می‌کند. خازن پس از ذخیره کردن مقدار معینی از بار الکتریکی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D8%A7%D8%B1+%D8%A7%D9%84%DA% A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) پر می‌شود. یعنی با توجه به اینکه کلید همچنان بسته است؛ ولی جریانی از مدار عبور نمی‌کند و در واقع جریان به صفر می‌رسد. یعنی به محض اینکه یک خازن خالی بدون بار را در یک مدار به مولد متصل کردیم؛ پس از مدتی کوتاه عقربه گالوانومتر (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%DA%AF%D8%A7%D9%84%D9%88%D8%A7%D9%8 6%D9%88%D9%85%D8%AA%D8%B1) 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 سر خازن را توسط یک سیم به همدیگر وصل می‌کنیم. در این حالت برای مدت کوتاهی جریانی در مدار برقرار می‌شود و این جریان تا زمانی که بار روی صفحات خازن وجود دارد برقرار است. پس از مدت زمانی جریان صفر خواهد شد. یعنی دیگر باری بر روی صفحات خازن وجود ندارد و خازن تخلیه شده است. اگر خازن کاملا پر شود دیگر جریانی برقرار نمی‌شود و اگر خازن کاملا تخلیه شود باز هم جریانی برقرار نمی‌شود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/f/ff/Dielectric.JPG
تأثیر ماده دی‌الکتریک در فضای بین دو صفحه موازی یک خازن

وقتی که خازنی را به مولدی وصل می‌کنیم؛ یک میدان یکنواخت در داخل خازن بوجود می‌آید. این میدان الکتریکی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%85%DB%8C%D8%AF%D8%A7%D9%86+%D8% A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) بر توزیع بارهای الکتریکی اتمی عایقی که در درون صفحات قرار دارد اثر می‌گذارد و باعث می‌شود که دو قطبیهای موجود در عایق طوری شکل گیری کنند؛ که در یک سمت عایق بارهای مثبت و در سمت دیگر آن بارهای منفی تجمّع کنند. توزیع بارهایی که در لبه‌های عایق قرار دارند؛ بر بارهای روی صفحات خازن اثر می‌گذارد. یعنی بارهای منفی روی لبه‌های عایق؛ بارهای مثبت بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند؛ و همینطور بارهای مثبت روی لبه‌های عایق بارهای منفی بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند. بنابراین با افزایش ثابت دی الکتریک (K) می‌توان بارهای بیشتری را روی خازن جمع کرد و باعث افزایش ظرفیت یک خازن شد. با گذاشتن دی الکتریک در بین صفحات یک خازن ظرفیت آن افزایش می‌یابد.
میدان الکتریکی درون خازن تخت

در فضای بین صفحات خازن بار دار میدان الکتریکی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%85%DB%8C%D8%AF%D8%A7%D9%86+%D8% A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) یکنواختی برقرار می‌شود که جهت آن همواره از صفحه مثبت خازن به سمت صفحه 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



میدان الکتریکی با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم و با فاصله بین صفحات خازن نسبت عکس دارد.
به هم بستن خازنها

خازنها در مدار به دو صورت بسته می‌شوند:


موازی
متوالی (سری)

بستن خازنها به روش موازی

در بستن به روش موازی بین خازنها دو نقطه اشتراک وجود 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 از خازنها.

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 ظرفیت خازنها.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/6/67/Capacitor-Parallel.jpg

بستن خازنها بصورت متوالی

در بستن به روش متوالی بین خازنها یک نقطه اشتراک وجود دارد و تنها دو صفحه دو طرف مجموعه به مولد بسته شده ؛ از مولد بار دریافت 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 بستن خازنها 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 از خازنها.

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 ، وارون ظرفیت معادل ، برابر است با مجموع وارون هریک از خازنها.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/5/5a/Capacitor-Series.jpg

انرژی ذخیره شده در خازن

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

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