خازن به‌نوعی کمی شبیه يك باتری است. اگرچه آن‌ها به روش‌های کاملا متفاوتی کار می‌کنند اما خازن‌ها و باتری‌ها هر دو انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کنند.
اگر از عملکرد باتری‌ها خبر داشته باشید پس می‌دانید که یک باتری دارای دو پایانه است. در داخل باتری، واکنش‌های شیمیایی در یک پایانه الکترون تولید می‌کنند و هنگامي كه يك جريان توليد كنيد، پایانه دیگر آن‌ها را جذب میکند.
خازن بسیار ساده‌تر از باتری است زیرا نمی‌تواند الکترون‌های جدید تولید کند و فقط آن‌ها را ذخیره میکند. به این دلیل خازن نامیده می‌شود که «گنجایش» ذخیره انرژی را دارد.
در این مطلب ما ياد مي‌گيريم که خازن دقیقا چیست، چه کار میکند و چگونه در لوازم الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ما همچنین تاریخچه خازن و چگونگی کمک چندین نفر به پیشرفت آن را بررسی خواهیم کرد.
خازن‌ها به هر منظوري می‌توانند تولید شوند، از کوچک‌ترین خازن پلاستیکی در ماشین حساب شما گرفته تا یک خازن پرقدرت که می‌تواند نيروي یک اتوبوس را تامين کند. در ادامه بعضي از انواع مختلف خازن‌ها و نحوه استفاده از آن‌ها را معرفي كرده‌ايم:
- هوا: اغلب در مدارهای تنظیم رادیو استفاده می‌شود.
- مایلار: بیشتر برای مدارهای تایمر مانند ساعت‌ها، زنگ‌هاي خطر و شمارنده‌ها استفاده می‌شود.
- شیشه: برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب است.
- سرامیک: برای اهداف فرکانس بالا مانند آنتن‌ها، دستگاه‌های اشعه ایکس و MRI استفاده می‌شود.
- ابرخازن: قدرت خودروهای برقی و هیبریدی را تامین میکند.
در داخل یک خازن، پایانه‌ها به دو صفحه فلزی متصل می‌شوند که توسط یک ماده غیررسانا یا دی‌الکتریک از یکدیگر جدا شده‌اند. شما به‌راحتی می‌توانید از دو تکه فویل آلومینیومی و یک تکه کاغذ (و چند گیره برقی) یک خازن بسازید. از نظر ظرفیت ذخیره‌سازی خازن خوبی نخواهد بود اما کار میکند.
از لحاظ تئوری، هر ماده غیررسانايي می‌تواند دی‌الکتریک باشد. با این حال، برای کاربردهای عملی، از مواد خاصی استفاده می‌شود که با عملکرد خازن بهترين مطابقت را دارد.
میکا، سرامیک، سلولز، پورسلين (چيني)، میلار، تفلون و حتی هوا بعضي مواد غیررسانای مورد استفاده هستند. دی‌الکتریک تعیین میکند که خازن از چه نوع است و برای چه كاري مناسب است. بسته به اندازه و نوع دی‌الکتریک، بعضي از خازن‌ها برای مصارف فرکانس بالا و بعضي دیگر برای کاربردهای با ولتاژ بالا بهتر هستند.
مدار خازن
هنگامی که یک خازن را به باتری وصل می‌کنید، اتفاقات زیر رخ می‌دهند:
- صفحه روی خازن که به پایانه منفی باتری متصل مي‌شود، الکترون‌هایی را که باتری تولید میکند دريافت مي‌كند.
- صفحه روی خازن که به پایانه مثبت باتری متصل می‌شود، الکترون‌های باتری را از دست می‌دهد.
پس از شارژ شدن، خازن دارای ولتاژي مشابه باتری است (اگر باتري 1.5 ولت داشته باشد يعني خازن هم 1.5 ولت دارد). یک خازن کوچک، ظرفیت كمي دارد.
اما خازن‌های بزرگ می‌توانند شارژ کامل را تحمل کنند. شما می‌توانید خازن‌هایی به بزرگی قوطی‌های نوشابه پیدا کنید که شارژ کافی برای روشن شدن چراغ قوه را برای یک دقیقه یا بیشتر دارند.
حتی طبیعت هم عملكرد خازن را به شکل رعدوبرق نشان می‌دهد. یک صفحه ابر است، صفحه دیگر زمین و رعدوبرق بار آزاد شده بین این دو «صفحه» است. بدیهی است که یک خازن بزرگ می‌تواند بار بسيار زيادي را در خود نگه دارد.
فرض کنید خازنی را به این شکل وصل کرده‌اید:
در اینجا شما یک باتری، یک لامپ و یک خازن دارید. اگر خازن بسیار بزرگ است، چیزی که مي‌بينيد این است که وقتی باتری را وصل می‌کنید، لامپ روشن می‌شود زیرا جریان از باتری به خازن مي‌رود تا آن را شارژ كند.
لامپ به‌تدریج کم نورتر می‌شود و در نهایت هنگامی که ظرفیت خازن تمام شود خاموش می‌شود. اگر باتری را بردارید و سیم را جایگزین آن کنید، جریان از یک صفحه خازن به صفحه دیگر مي‌رود.
لامپ در ابتدا روشن می‌شود و سپس همراه با تخلیه خازن، نور کاهش پیدا میکند تا زمانی که کاملا خاموش شود.
در بخش بعدی، ما در مورد خازن بیشتر اطلاعات به شما می‌دهیم و نگاهی دقیق به روش‌های مختلف استفاده از خازن‌ها می‌اندازیم.
مانند يك تانک آب
یکی از راه‌های تجسم عملکرد یک خازن، تصور آن به‌عنوان یک تانک آب است که به لوله وصل شده است. يك تانک آب فشار آب را «ذخیره» میکند (هنگامی كه پمپ‌های سیستم آب بیش از نیاز شهر آب تولید می‌کنند، مازاد آن در تانک آب ذخیره می‌شود).
سپس، در مواقع تقاضای زیاد، آب اضافی از تانک خارج می‌شود تا فشار را بالا نگه دارد. یک خازن الکترون‌ها را به همان شیوه ذخیره میکند و می‌تواند بعدا آن‌ها را آزاد کند.
فاراد
ظرفیت ذخیره‌سازی یا ظرفیت خازنی يك خازن در واحدهایی به‌نام فاراد اندازه‌گیری می‌شود. یک خازن 1 فارادی می‌تواند یک کولن (coo-lomb) شارژ را در 1 ولت ذخیره کند.
یک کولن برابر با 6.25e18 (6.25 * 10^18 يا 6.25 میلیارد میلیارد) الکترون است. یک آمپر نشان‌دهنده سرعت جریان الکترون 1 کولن الکترون در ثانیه است، بنابراین یک خازن 1 فارادی می‌تواند 1 آمپر ثانیه الکترون‌ها را در 1 ولت نگه دارد.
یک خازن 1 فارادی معمولا بسیار بزرگ است. بسته به ولتاژ قابل تحمل آن، ممکن است به اندازه یک قوطی تن ماهی یا یک بطری نوشابه 1 لیتری بزرگ باشد. به همین دلیل، خازن‌ها معمولا بر حسب ریز فارادها (میلیونیوم فاراد) ساخته می‌شوند.
برای این که بتوانید دیدگاهي نسبت به بزرگی یک فاراد داشته باشيد، به این موضوعات فکر کنید:
- یک باتری قلیایی استانداردAA حدود 2.8 آمپر ساعت نگه می‌دارد.
- به عبارت دیگر یک باتری AA می‌تواند 2.8 آمپر را به‌مدت یک ساعت در 1.5 ولت تولید کند (حدود 4.2 وات ساعت – یک باتری AA می‌تواند یک لامپ رشته‌ای 4 وات را برای كمي بیش از یک ساعت روشن نگه دارد).
- اجازه دهید آن را با 1 ولت حساب كنيم تا محاسباتش آسان‌تر شود. برای ذخیره انرژی یک باتری AA در یک خازن، به 3,600 * 2.8 = 10,080 فاراد برای نگه داشتن آن نیاز دارید زیرا يك آمپر ساعت برابر با 3600 آمپر ثانیه است.
اگر چیزی در اندازه یک قوطی تن ماهی برای نگه داشتن یک فاراد لازم است، پس 10,080 فاراد فضای بسیار بیشتری را نسبت به یک باتری AA اشغال میکند! استفاده از خازن‌ها برای ذخیره مقدار قابل توجهی قدرت غیرممکن است مگر این که این کار را با ولتاژ بالا انجام دهید.
کاربرد خازن
تفاوت بین خازن و باتری در این است که یک خازن می‌تواند کل شارژ خود را در کسری کوچک از ثانیه تخلیه کند، در حالی که دقیقه‌ها طول می‌کشد تا باتری به‌طور کامل تخلیه شود.
به همین دلیل است که فلش الکترونیکی یک دوربین از یک خازن استفاده میکند. باتری خازن فلش را در عرض چند ثانیه شارژ میکند و سپس خازن تقریبا فوري شارژ کامل را داخل استوانه نورفشان می‌ریزد.
این كار می‌تواند یک خازن بزرگ و شارژ شده را بسیار خطرناک کند. به همین دلیل واحدهای فلش و تلویزیون‌ها هشدارهایی در مورد بازکردن آن‌ها دارند. آن‌ها حاوی خازن‌های بزرگی هستند که می‌توانند با شارژ موجود در خود شما را بکشند.
خازن‌ها در مدارهای الکترونیکی به روش‌های مختلفي مورد استفاده قرار می‌گیرند:
- گاهی از خازن‌ها برای ذخیره شارژ در استفاده با سرعت بالا استفاده می‌شود. اين همان كاري است كه فلش انجام مي‌دهد. لیزرهای بزرگ نیز از این تکنیک برای داشتن درخشش‌هاي بسیار روشن و فوری استفاده می‌کنند.
- خازن‌ها همچنین می‌توانند امواج الکتریکی را از بین ببرند. اگر یک خط حامل ولتاژ DC دارای موج یا جهش باشد، یک خازن بزرگ می‌تواند با جذب قله‌ها و پر كردن دره‌ها ولتاژ را یکنواخت کند.
- یک خازن می‌تواند ولتاژ DC را مسدود کند. اگر یک خازن کوچک را به يك باتری وصل کنید، پس از شارژ خازن، هیچ جریانی بین قطب‌های باتری جریان نمی‌یابد.
با این حال، هر سیگنال جریان متناوب (AC) بدون مانع از طریق یک خازن عبور میکند. این امر به این دلیل روي مي‌دهد که خازن با نوسان جریان متناوب شارژ و تخلیه می‌شود و به‌نظر می‌رسد جریان متناوب برقرار است.
در بخش بعدی، به تاریخچه خازن و چگونگی کمک بعضی از درخشان‌ترین ذهن‌ها در پیشرفت آن می‌پردازیم
تاریخچه خازن
بسته به این که از چه کسی می‌پرسید، مخترع خازن تا حدودی متفاوت است. اسناد و مدارکی وجود دارد که نشان می‌دهند دانشمندي آلمانی به‌نام اوالد جرج فون کلایست خازن را در نوامبر 1745 اختراع کرده است. چند ماه بعد، پیتر ون مشنبروک، استاد هلندی در دانشگاه لیدن، وسیله‌اي مشابه به شکل بطري لیدن اختراع كرد که معمولا به‌عنوان اولین خازن شناخته می‌شود.
از آن‌جايي که کلایست سوابق و یادداشت‌هایي مفصل و بدنامی همتای هلندی خود را نداشت، او اغلب به‌عنوان يك عامل در تکامل خازن نادیده گرفته می شود. با این حال، در طول سال‌ها، به هر دو اعتبار یکسانی داده شد زیرا ثابت شد که تحقیقات آن‌ها مستقل از یکدیگر و صرفا یک تصادف علمی بود.
بطري لیدن وسیله بسیار ساده‌ای بود. این وسيله شامل یک ظرف شیشه‌ای بود که تا نیمه پر از آب بود و داخل و خارج آن را با فویل فلزی پوشيده شده بود.
شیشه به‌عنوان دی‌الکتریک عمل می‌کرد، اگرچه مدتی تصور می‌شد که آب جزء اصلی آن است. معمولا در بالای شیشه یک سیم فلزی یا زنجیر درون یک چوب‌پنبه وجود داشت.
سپس این زنجیر به چیزی متصل مي‌شد که بار توزيع مي‌كرد كه به احتمال زیاد یک ژنراتور استاتیک دستی بود. پس از توزيع، شیشه دو بار مساوی اما متضاد را در حالت تعادل نگه می‌داشت تا زمانی که با سیم متصل شوند و جرقه یا شوک کمی ایجاد كنند.
بنجامین فرانکلین درآزمایش‌ها خود با برق با بطري لیدن کار کرد و خیلی زود متوجه شد که یک تکه شیشه مسطح مانند نمونه بطري کار میکند كه منجر به توسعه خازن مسطح یا ميدان فرانکلین شد.
سال‌ها بعد، مایکل فارادی، شیمی‌دان انگلیسی، اولین کاربردهاي عملي براي خازن را در ذخیره الکترون‌های بلااستفاده ازآزمایش‌ها خود پیشگام کرد.
این امر منجر به ساخت اولین خازن قابل‌استفاده از بشکه‌های بزرگ نفت شد. پیشرفت فارادی با خازن‌ها چیزی است که در نهایت ما را قادر به دريافت نیروی الکتریکی در فواصل دور کرد.
در نتیجه دستاوردهای فارادی در زمینه برق، واحد اندازه‌گیری خازن‌ها یا ظرفیت خازنی، به‌نام فاراد شناخته شد.
سوالات متداول
حال اجازه دهيد تا به سوالات رايج پيرامون خازن پاسخ دهيم.
يك خازن چه کار میکند؟
خازن اجازه می‌دهد تا انرژی الکتریکی بسیار سریع آزاد شود به نحوی که باتری نمی‌تواند آن را عملي كند. به‌عنوان مثال، فلش الکترونیکی دوربین از خازن استفاده میکند.
آیا خازن می‌تواند شما را بکشد؟
یک خازن بزرگ و شارژ شده، مانند آن‌هایی که در واحدهاي فلش و تلویزیون وجود دارند، می‌توانند بسیار خطرناک باشند و به‌طور بالقوه می‌توانند با شارژ موجود در آن شما را بکشند.
آیا يك خازن همان باتری است؟
خازن کمی شبیه باتری است زیرا هر دو انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کنند. اما نحوه عملکرد آن‌ها کاملا متفاوت است. خازن نیز بسیار ساده‌تر از باتری است زیرا الکترون‌ها را فقط می‌تواند ذخیره کند، نه اين كه آن‌ها را تولید کند.
خازن چیست؟
خازن یک جزء الکتریکی است که انرژی را از باتری می‌گیرد و آن را ذخیره میکند. در داخل آن، پایانه‌ها به دو صفحه فلزی متصل می‌شوند که توسط یک ماده غیررسانا از هم جدا شده اند. هنگامی که خازن فعال می‌شود، به‌سرعت در کسری کوچک از ثانیه الکتریسیته آزاد میکند.
