خازن ها چگونه کاز می کنند؟
خازن استوانه ای به نوعی، خازن کمی شبیه باتری است. اگرچه خازن ها و باتری ها به روش های کاملاً متفاوتی کار می کنند، اما هر دو انرژی الکتریکی را ذخیره می کنند. اگر نحوه کار باتری ها را خوانده باشید، می دانید که باتری دارای دو پایانه است. در داخل باتری، واکنش‌های شیمیایی الکترون‌هایی را روی یک پایانه تولید می‌کنند و پایانه دیگر آنها را هنگام ایجاد یک مدار جذب می‌کند. یک خازن بسیار ساده‌تر از باتری است، زیرا نمی‌تواند الکترون‌های جدیدی تولید کند و فقط آنها را ذخیره می‌کند. خازن به این دلیل است که “ظرفیت” ذخیره انرژی را دارد.
در این مقاله دقیقاً یاد خواهیم گرفت که خازن چیست، چه کاری انجام می دهد و چگونه در الکترونیک از آن استفاده می شود.
خازن‌ها را می‌توان برای انجام هر هدفی، از کوچک‌ترین خازن پلاستیکی در ماشین‌حساب شما گرفته تا خازن‌های فوق‌العاده که می‌تواند یک اتوبوس رفت‌وآمد را تامین کند، تولید کرد. در اینجا برخی از انواع خازن ها و نحوه استفاده از آنها آورده شده است.
هوا: اغلب در مدارهای تنظیم رادیویی استفاده می شود
Mylar: بیشتر برای مدارهای تایمر مانند ساعت، زنگ هشدار و شمارنده استفاده می شود
شیشه: برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب است
سرامیک: برای اهداف فرکانس بالا مانند آنتن ها، دستگاه های اشعه ایکس و MRI استفاده می شود
خازن فوق العاده : ماشین های الکتریکی و هیبریدی را تامین می کند
در داخل یک خازن، پایانه ها به دو صفحه فلزی متصل می شوند که توسط یک ماده نارسانا یا دی الکتریک از هم جدا شده اند. از دو تکه فویل آلومینیومی و یک تکه کاغذ (و چند گیره برقی) به راحتی می توانید خازن بسازید. از نظر ظرفیت ذخیره سازی خازن خوبی نخواهد بود، اما کار خواهد کرد.
در تئوری، دی الکتریک می تواند هر ماده غیر رسانا باشد. با این حال، برای کاربردهای عملی، از مواد خاصی استفاده می شود که بهترین عملکرد خازن را دارد. میکا، سرامیک، سلولز، چینی، مایلار، تفلون و حتی هوا از جمله مواد نارسانای مورد استفاده هستند. دی الکتریک تعیین می کند که چه نوع خازن و برای چه چیزی مناسب تر است. بسته به اندازه و نوع دی الکتریک، برخی از خازن ها برای استفاده در فرکانس بالا بهتر هستند، در حالی که برخی برای کاربردهای ولتاژ بالا بهتر هستند.
مدار خازن
هنگامی که یک خازن را به باتری وصل می کنید، این اتفاق می افتد:
صفحه روی خازن که به ترمینال منفی باتری متصل می شود، الکترون هایی را می پذیرد که باتری در حال تولید است.
صفحه روی خازن که به پایانه مثبت باتری متصل می شود، الکترون های باتری را از دست می دهد.
پس از شارژ شدن، ولتاژ خازن برابر با باتری است (1.5 ولت روی باتری یعنی 1.5 ولت در خازن). برای یک خازن کوچک، ظرفیت کم است. اما خازن های بزرگ می توانند شارژ زیادی را تحمل کنند. می‌توانید خازن‌هایی به بزرگی قوطی‌های نوشابه پیدا کنید که شارژ کافی برای روشن کردن چراغ قوه را برای یک دقیقه یا بیشتر نگه دارند.
حتی طبیعت خازن در حال کار را به صورت رعد و برق نشان می دهد. یک صفحه ابر، صفحه دیگر زمین و صاعقه باری است که بین این دو صفحه آزاد می شود. بدیهی است که یک خازن به این بزرگی می تواند بار زیادی را نگه دارد!
فرض کنید یک خازن را به این شکل وصل کرده اید:
در اینجا شما یک باتری، یک لامپ و یک خازن دارید. اگر خازن بسیار بزرگ باشد، چیزی که متوجه می‌شوید این است که وقتی باتری را وصل می‌کنید، لامپ روشن می‌شود زیرا جریان از باتری به خازن می‌رسد تا آن را شارژ کند. لامپ به تدریج کم نور می شود و در نهایت زمانی که خازن به ظرفیت خود برسد خاموش می شود. اگر باتری را خارج کرده و با یک سیم جایگزین کنید، جریان از یک صفحه خازن به صفحه دیگر جریان می یابد. لامپ ابتدا روشن می شود و سپس با تخلیه خازن کم نور می شود تا زمانی که کاملاً خارج شود.
در بخش بعدی، اطلاعات بیشتری در مورد ظرفیت خازن خواهیم آموخت و روش های مختلف استفاده از خازن ها را بررسی خواهیم کرد.
مثال : برج آب
یکی از راه های تجسم عمل خازن این است که آن را به عنوان یک برج آب که به یک لوله قلاب شده است تصور کنید. یک برج آب، فشار آب را «ذخیره» می‌کند – زمانی که پمپ‌های سیستم آب بیش از نیاز یک شهر آب تولید می‌کنند، مازاد آن در برج آب ذخیره می‌شود. سپس در مواقعی که تقاضا زیاد است، آب اضافی از برج خارج می شود تا فشار را بالا نگه دارد. یک خازن الکترون ها را به همین روش ذخیره می کند و سپس می تواند آنها را آزاد کند.
خازن استوانه ای چیست ؟
خازن استوانه ای دستگاهی است که مقدار قابل توجهی جریان الکتریکی را در یک منطقه کوچک ذخیره می کند. این شامل یک استوانه کروی توخالی متحدالمرکز است که یک هادی استوانه ای توخالی یا جامد را احاطه کرده است. موتورهای الکتریکی، آسیاب غلات، آبمیوه گیری برقی و سایر لوازم الکتریکی همگی از خازن های استوانه ای استفاده می کنند. یک خازن برای محدود کردن خطوط میدان الکتریکی در یک منطقه محدود طراحی شده است. در نتیجه، حتی اگر میدان بسیار قوی باشد، اختلاف پتانسیل بین دو هادی یک خازن بسیار ناچیز است. اگرچه خازن ها را می توان به روش های مختلفی برای دستیابی به ظرفیت لازم گروه بندی کرد، اما رایج ترین پیکربندی ها سری و موازی هستند. فرمول محاسبه ظرفیت استوانه ای در این مقاله ارائه شده است.
خازن استوانه ای
ظرفیت خازنی در واحد طول، ظرفیت یک هندسه استوانه ای است.
تفاوت پتانسیل هر خازن منحصر به فرد است. تعدادی مدار الکتریکی وجود دارد که در آنها خازن ها باید به ترتیب صحیح چیده شوند تا ظرفیت مورد نظر به دست آید. خازن های سری و خازن های موازی دو پیکربندی رایج هستند. فاراد واحد استاندارد ظرفیت خازن (F) است. برای ذخیره بار الکتریکی، معمولاً از یک خازن استوانه ای استفاده می شود.
ظرفیت خازن استوانه ای را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
C = 2pe0 × (L / ln(b/a))
جایی که،
C = ظرفیت سیلندر،
ε0 = گذردهی فضای آزاد،
a = شعاع داخلی سیلندر،
b = شعاع بیرونی سیلندر،
L = طول سیلندر.
چرا خازن های سیلندر شکل زیادی وجود دارد؟ دو صفحه رسانا با یک شکاف عایق به شکل کلی خازن از هم جدا می شوند. فویل های فلزی، فیلم های پلیمری متالیز شده، الکترولیت ها و سایر مواد همگی می توانند برای ایجاد اجزای عایق و رسانا استفاده شوند. تمام موارد ذکر شده در بالا را می توان به شکل مستطیل مسطح ساخت. برخی از خازن ها کروی شکل نیستند. انباشتن لایه های عایق و مواد رسانا به طور متناوب آنها را تشکیل می دهد. به عنوان مثال، خازن های تراشه سرامیکی چندلایه، مثال خوبی هستند.
خازن استوانه ای از چه اجزایی تشکیل شده است؟ چند مورد استفاده کنید. یک خازن استوانه ای از یک هادی استوانه ای تشکیل شده است که توسط یک استوانه کروی توخالی احاطه شده است. موتورهای الکتریکی، آسیاب غلات، آبمیوه گیری برقی و سایر ابزارهای الکتریکی از رایج ترین کاربردهای خازن های استوانه ای هستند.
