خازن الکتریکی یک دستگاه غیرفعال است که قادر به جمع آوری و ذخیره انرژی الکتریکی است. این شامل دو صفحه رسانا است که توسط یک ماده دی الکتریک از هم جدا شده اند. اعمال پتانسیل های الکتریکی علائم مختلف برای صفحات رسانا منجر به کسب باری توسط آنها می شود که در یک صفحه مثبت و در صفحه دیگر منفی است. در این مورد، کل شارژ صفر است.
این مقاله به مباحث تاریخچه و تعریف ظرفیت خازن می پردازد.
داستان اختراع
در اکتبر 1745، دانشمند آلمانی Ewald Georg von Kleist متوجه شد که اگر یک ژنراتور الکترواستاتیک و مقدار معینی آب در یک ظرف شیشه ای به کابل متصل شود، بار الکتریکی ذخیره می شود. در این آزمایش، دست فون کلایست و آب رسانا بودند و ظرف شیشه ای یک عایق الکتریکی بود. پس از اینکه دانشمند با دست خود سیم فلزی را لمس کرد، ترشح قوی رخ داد که این بودبسیار قوی تر از تخلیه یک ژنراتور الکترواستاتیک. در نتیجه، فون کلایست به این نتیجه رسید که انرژی الکتریکی ذخیره شده وجود دارد.
در سال 1746، فیزیکدان هلندی، پیتر ون موشنبروک، یک خازن اختراع کرد که به افتخار دانشگاه لیدن که دانشمند در آن کار می کرد، آن را بطری لیدن نامید. سپس دانیل گرلات با اتصال چندین بطری لیدن، ظرفیت خازن را افزایش داد.
در سال 1749، بنجامین فرانکلین خازن لیدن را بررسی کرد و به این نتیجه رسید که بار الکتریکی همانطور که قبلاً تصور می شد در آب ذخیره نمی شود، بلکه در مرز آب و شیشه ذخیره می شود. به لطف کشف فرانکلین، بطری های لیدن با پوشاندن داخل و خارج ظروف شیشه ای با صفحات فلزی ساخته شد.
توسعه صنعت
اصطلاح "خازن" توسط الساندرو ولتا در سال 1782 ابداع شد. در ابتدا از موادی مانند شیشه، چینی، میکا و کاغذ ساده برای ساخت عایق های خازن الکتریکی استفاده می شد. بنابراین، مهندس رادیو Guglielmo Marconi از خازن های چینی برای فرستنده های خود و برای گیرنده ها - خازن های کوچک با عایق میکا که در سال 1909 اختراع شدند - قبل از جنگ جهانی دوم، رایج ترین آنها در ایالات متحده بود. استفاده کرد.
اولین خازن الکترولیتی در سال ۱۸۹۶ اختراع شد و یک الکترولیت با الکترودهای آلومینیومی بود. توسعه سریع الکترونیک تنها پس از اختراع خازن تانتالیوم مینیاتوری در سال 1950 آغاز شد.الکترولیت جامد.
در طول جنگ جهانی دوم، در نتیجه توسعه شیمی پلاستیک، خازن هایی ظاهر شدند که در آن نقش یک عایق به لایه های نازک پلیمری اختصاص داده شد.
بالاخره در دهه 50-60 صنعت ابرخازن ها که دارای چندین سطح رسانای کاری هستند توسعه می یابد که به دلیل آن ظرفیت الکتریکی خازن ها نسبت به مقدار آن برای خازن های معمولی 3 مرتبه قدر افزایش می یابد.
مفهوم ظرفیت خازن
بار الکتریکی ذخیره شده در صفحه خازن متناسب با ولتاژ میدان الکتریکی است که بین صفحات دستگاه وجود دارد. در این حالت ضریب تناسب را ظرفیت الکتریکی یک خازن تخت می نامند. در SI (سیستم بین المللی واحدها)، ظرفیت الکتریکی، به عنوان یک کمیت فیزیکی، بر حسب فاراد اندازه گیری می شود. یک فاراد ظرفیت الکتریکی یک خازن است که ولتاژ بین صفحات آن 1 ولت با بار ذخیره شده 1 کولن است.
خازن الکتریکی 1 فاراد بسیار زیاد است و در عمل در مهندسی برق و الکترونیک معمولاً از خازن هایی با ظرفیت های مرتبه پیکوفاراد، نانوفاراد و میکروفاراد استفاده می شود. تنها استثناء ابرخازن ها هستند که از کربن فعال تشکیل شده اند که باعث افزایش سطح کار دستگاه می شود. آنها می توانند به هزاران فاراد برسند و برای نیرو دادن به خودروهای الکتریکی نمونه اولیه استفاده می شوند.
بنابراین، ظرفیت خازن برابر است با: C=Q1/(V1-V2). اینجا C-ظرفیت الکتریکی، Q1 - بار الکتریکی ذخیره شده در یک صفحه خازن، V1-V2- تفاوت بین پتانسیل های الکتریکی صفحات.
فرمول ظرفیت خازن تخت این است: C=e0eS/d. در اینجا e0و e ثابت دی الکتریک جهانی است و ثابت دی الکتریک ماده عایق S مساحت صفحات است، d فاصله بین صفحات است. این فرمول به شما این امکان را می دهد که بفهمید در صورت تغییر ماده عایق، فاصله بین صفحات یا مساحت آنها، ظرفیت خازن چگونه تغییر می کند.
انواع دی الکتریک استفاده شده
برای ساخت خازن ها از انواع دی الکتریک استفاده می شود. محبوب ترین آنها موارد زیر است:
- هوا. این خازن ها دو صفحه از مواد رسانا هستند که با لایه ای از هوا از هم جدا شده و در یک محفظه شیشه ای قرار می گیرند. ظرفیت الکتریکی خازن های هوا کم است. آنها معمولاً در مهندسی رادیو استفاده می شوند.
- میکا. خواص میکا (قابلیت جدا شدن به ورقه های نازک و تحمل دمای بالا) برای استفاده به عنوان عایق در خازن ها مناسب است.
- کاغذ. برای محافظت در برابر خیس شدن از کاغذ موم شده یا لاک زده استفاده می شود.
انرژی ذخیره شده
با افزایش اختلاف پتانسیل بین صفحات خازن، دستگاه انرژی الکتریکی را ذخیره می کند.وجود میدان الکتریکی در داخل آن اگر اختلاف پتانسیل بین صفحات کاهش یابد، خازن تخلیه می شود و به مدار الکتریکی انرژی می دهد.
از نظر ریاضی، انرژی الکتریکی ذخیره شده در یک نوع خازن دلخواه را می توان با فرمول زیر بیان کرد: E=½C(V2-V 1)2، که در آن V2 و V1 نهایی و ابتدایی هستند تنش بین صفحات.
شارژ و تخلیه
اگر یک خازن با یک مقاومت و مقداری منبع جریان الکتریکی به مدار الکتریکی متصل شود، جریان از مدار عبور می کند و خازن شروع به شارژ شدن می کند. به محض شارژ شدن کامل، جریان الکتریکی در مدار قطع می‌شود.
اگر یک خازن شارژ شده به صورت موازی با یک مقاومت وصل شود، جریانی از صفحه ای به صفحه دیگر از طریق مقاومت می گذرد که تا تخلیه کامل دستگاه ادامه می یابد. در این حالت، جهت جریان تخلیه برخلاف جهت جریان الکتریکی در هنگام شارژ دستگاه خواهد بود.
شارژ و دشارژ خازن از وابستگی زمانی نمایی پیروی می کند. به عنوان مثال، ولتاژ بین صفحات یک خازن در طول تخلیه آن مطابق فرمول زیر تغییر می کند: V(t)=Vie-t/(RC) ، جایی که V i - ولتاژ اولیه روی خازن، R - مقاومت الکتریکی در مدار، t - زمان تخلیه.
ترکیب در مدار الکتریکی
برای تعیین ظرفیت خازن های موجود درمدار الکتریکی، باید به خاطر داشت که آنها را می توان به دو روش مختلف ترکیب کرد:
- اتصال سریال: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- اتصال موازی: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - ظرفیت کل n خازن. ظرفیت الکتریکی کل خازن ها با فرمول هایی مشابه عبارات ریاضی برای مقاومت الکتریکی کل تعیین می شود، فقط فرمول اتصال سری دستگاه ها برای اتصال موازی مقاومت ها و بالعکس معتبر است.
