خازن چیست؟
فلاش دوربین را روشن می‌کنید. شاتر دوربین را فشار می‌دهد. هجمه‌ای از نور شدید به سمت موضوع پرتاب می‌شود و آن را روشن می‌کند و عکس ثبت می‌شود. می‌دانید این نور از کجا آماده است؟
ناظم مدرسه میکروفون رو جلوی دهانش گرفته و دانش‌آموزان را به اسم از گوشه گوشه‌ی حیاط صدا می‌زند که به کلاس بروند. می‌دانید میکروفون چگونه صدای او دریافت و تقویت می‌کند؟
همسایه‌تان دچار ایست قلبی شده، اورژانس خبر کرده‌اند. امدادگران دو کفشک را روی سینه‌اش قرار داده اند و به او شوک وارد می‌کنند؛ مرد همسایه با هر شوک کمی از جا می‌پرد؛ می‌دانید آن کفشک‌ها آن همه انرژی را از کجا آورده‌اند و به بدن بیمار منتقل می‌کنند؟
پشت میزتان نوشته‌اید و یادداشت یا مقاله‌‌ی جدیدتان را می‌نویسید، با فشار دادن هر کلید کیبورد حرفی روی صفحه می‌نشیند. کامپیوتر چطور آگاه می‌شود، که چه دکمه و حرفی را فشار داده‌اید و همان را تایپ می‌کند؟
پاسخ به تمامی این سوالات در دل وسیله‌ای به نام خازن است. در این مقاله یاد می‌گیریم که خازن چیست؛ چگونه عمل می‌کند و چه کارکردهای دارد.
خازن چیست؟
قدیم‌ترها، خازن به کسی گفته می‌شد که مسئول نگهداری و مدیریت اموال خزانه بود. خزینه‌دار، انباردار و نگهبان را خازن می‌گویند. حالا این کلمه چرا از فیزیک سر درآورده است.
لابد کسی یا چیزی را یافته‌اند که انباردار چیزی است. بله. ظاهرا سال‌ها پیش دانشمندان وسیله‌ای ساخته‌اند که می‌تواند بار و انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. نام چنین وسیله‌ای را خازن گذاشتند یعنی نگهدارنده.
خازن یک وسیله‌ی الکترونیکی است که می‌تواند انرژی الکتریکی را برای مدتی کوتاه در خود ذخیره کند و در زمان مناسب آزاد کند. درست مثل اینکه یک لیوان آب را پر کنید و بعد هر وقت لازم بود، یک‌دفعه آب آن را خالی کنید.
اگر بخواهیم آن را با چیزی در زندگی روزمره مقایسه کنیم؛ خازن شبیه یک فنر فشرده است؛ شما انرژی را صرف می‌کنید تا فنر را بفشارید و وقتی رهایش می‌کنید؛ همان انرژی به صورت ناگهانی آزاد می‌شود.
نکته مهم این است که خازن، بر خلاف باتری، تولیدکننده‌ی انرژی نیست، بلکه ذخیره‌کنند‌ه‌ی انرژی است. خازن می‌تواند در مدت‌زمان بسیار کوتاه، انرژی را ذخیره کند یا تخلیه کند و همین ویژگی باعث می‌شود در مدارهای الکترونیکی که نیاز به واکنش سریع دارند، بسیار پرکاربرد باشد.
ساختار خازن
ساده‌ترین نوع خازن از دو صفحه‌ی رسانا تشکیل شده که در فاصله‌ی کمی از یکدیگر قرار دارند؛ اما با هم تماس ندارند. این صفحه‌ها معمولاً ورقه‌های نازک فلزی هستند و بین آنها یک لایه‌ی نازک نارسانا (مثلاً کاغذ خشک یا نوعی پلاستیک خاص) قرار می‌گیرد.
اگر این ساندویچ فلز و عایق را لوله کنیم و داخل یک استوانه‌ی کوچک قرار دهیم؛ فضای بسیار کمتری در مدار اشغال خواهد کرد. به همین دلیل، بسیاری از خازن‌های واقعی به شکل استوانه‌های کوچک ساخته می‌شوند.
البته خازن‌ها در اندازه‌ها، شکل‌ها و ظرفیت‌های بسیار متنوعی تولید می‌شوند. از خازن‌های ریزتر از نوک مداد در گوشی‌های هوشمند، تا خازن‌های بزرگ صنعتی در نیروگاه‌ها.
باردار کردن خازن
وقتی دو صفحه‌ی خازن را به یک باتری وصل کنیم؛ اختلاف پتانسیل دو سر باتری باعث ایجاد میدان الکتریکی بین صفحه‌های خازن می‌شود. این میدان بر الکترون‌ها نیرو وارد می‌کند و آنها را در مدار به حرکت در می‌آورد.
الکترون‌ها از یکی از صفحه‌ها جدا شده و به صفحه‌ی دیگر منتقل می‌شوند. در نتیجه، صفحه‌ای که به پایانه‌ی مثبت باتری وصل است؛ دارای بار مثبت و صفحه‌ی متصل به پایانه‌ی منفی باتری، دارای بار منفی می‌شود. یعنی صفحه‌هایی که در ابتدا خنثی بودند، حالا دارای بار الکتریکی مساوی و مخالف هم‌اند.
این فرآیندِ انتقال بار (یا همان شارژ شدن خازن) تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که اختلاف پتانسیل بین صفحه‌های خازن با اختلاف پتانسیل باتری برابر شود. در این لحظه، جریان قطع می‌شود و خازن در حالت باردار باقی می‌ماند.
ظرفیت خازن چیست؟
حالا سؤال مهم این است: یک خازن چه مقدار بار و انرژی می‌تواند در خود نگه دارد؟ پاسخ این سؤال را مفهومی به نام ظرفیت خازن می‌دهد.
ظرفیت خازن یعنی مقدار باری که یک خازن در ازای هر واحد اختلاف پتانسیل می‌تواند ذخیره کند. اگر بخواهیم آن را با چیزی مقایسه کنیم، خازن مثل یک ظرف آب است؛ هرچه ظرفیت ظرف بیشتر باشد، آب بیشتری در خود جا می‌دهد. به همان ترتیب، هرچه ظرفیت یک خازن بیشتر باشد، بار بیشتری می‌تواند ذخیره کند.
اگر اختلاف پتانسیل(v) بین صفحه‌های خازن را زیاد کنیم، بار خازن (q) نیز به همان نسبت زیاد می‌شود. به عبارتی نسبت همواره مقداری ثابت است که به این نسبت ثابت، ظرفیت خازن می‌گویند. ظرفیت خازن را با حرف نشان می‌دهند و واحد آن فاراد است.
البته یک فاراد ظرفیت بسیار بزرگی است؛ به همین دلیل، در مدارهای معمولی ظرفیت خازن‌ها را بیشتر با واحدهای کوچکتر مانند میکروفاراد ، نانوفاراد یا پیکوفاراد بیان می‌کنند.
توجه داشته باشید ظرفیت خازن به اندازه بار خازن و نیز اختلاف پتانسیل دو صفحه آن بستگی ندارد. بلکه یک ویژگی وابسته به ساختار خازن است.
عوامل مؤثر بر ظرفیت خازن
ظرفیت خازن به سه عامل اصلی بستگی دارد.
1- مساحت صفحات رسانا: هرچه صفحه‌ها بزرگ‌تر باشند، بار بیشتری می‌توان روی آنها ذخیره کرد. بنابراین ظرفیت بیشتر می‌شود.یعنی ظرفیت خازن با مساحت صفحه‌های آن رابطه‌ی مستقیم دارد.
2- فاصله‌ی بین صفحات: هرچه فاصله‌ی بین صفحه‌ها کمتر باشد، میدان الکتریکی قوی‌تری شکل می‌گیرد و ظرفیت بیشتر خواهد بود. یعنی ظرفیت خازن با فاصله‌ی بین دو صفحه رابطه‌ی عکس دارد.
3- نوع ماده‌ی عایق (دی‌الکتریک) بین صفحات: بعضی مواد عایق، ظرفیت خازن را چند برابر می‌کنند. این اثر با عددی به نام ثابت دی‌الکتریک سنجیده می‌شود.
آزمایش و محاسبه نشان می‌دهد که ظرفیت یک خازن تخت با مساحت صفحه‌های، فاصلة جدایی صفحه‌های و ثابت دی‌الکتریک از رابطة زیر به دست می‌آید.
کاربردهای تغییر ظرفیت خازن در وسایل الکترونیکی
میکروفون خازنی
در یک میکروفون خازنی، یک صفحه‌ی نازک و انعطاف‌پذیر به نام دیافراگم در مقابل صفحه‌ای دیگر قرار دارد و بین آنها یک ماده‌ی دی‌الکتریک وجود دارد. وقتی صدا به دیافراگم برخورد می‌کند؛ آن را به ارتعاش درمی‌آورد. این ارتعاشات، فاصله‌ی بین دو صفحه را تغییر می‌دهند.
با تغییر فاصله، ظرفیت خازن تغییر می‌کند. این تغییر ظرفیت به‌صورت سیگنال الکتریکی در مدار ظاهر می‌شود و به این ترتیب، صدا به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود.
صفحه‌کلیدهای خازنی رایانه
برخی از کیبوردهای رایانه‌ای از خازن تخت حساس به فشار استفاده می‌کنند. هر کلید به یک صفحه‌ی فلزی متصل است که توسط یک ماده‌ی دی‌الکتریک از یک صفحه‌ی فلزی دیگر جدا شده است.
وقتی کلید فشار داده می‌شود، دو صفحه به هم نزدیک‌تر می‌شوند و ظرفیت خازن افزایش می‌یابد. این تغییر ظرفیت، توسط مدارهای رایانه تشخیص داده می‌شود و مشخص می‌شود که کدام کلید فشرده شده است.
حسگر کیسه‌ی هوای خودرو
در برخی از سیستم‌های ایمنی خودرو، به‌ویژه در حسگر کیسه‌ی هوا (ایربگ)، از خازن به عنوان حسگر ضربه استفاده می‌شود.
در این حسگر، یک خازن قرار دارد که ظرفیت آن با اعمال نیرو یا شتاب ناگهانی تغییر می‌کند. به‌عنوان مثال، هنگام تصادف، نیروی شدیدی به خودرو وارد می‌شود که سبب جابجایی یکی از صفحه‌های خازن یا فشرده شدن ماده دی‌الکتریک می‌شود.
این جابجایی باعث تغییر ظرفیت خازن می‌شود. مدار الکترونیکی خودرو، این تغییر سریع ظرفیت را به عنوان سیگنال ضربه تشخیص می‌دهد و در کمتر از چند میلی‌ثانیه، دستور باز شدن کیسه‌ی هوا را صادر می‌کند. در نتیجه، کیسه‌ی هوا پیش از آنکه بدن سرنشین با داشبورد یا فرمان برخورد کند، باز شده و جلوی آسیب را می‌گیرد.
دی‌الکتریک چیست؟
دی‌الکتریک ماده‌ای نارساناست که بین صفحه‌های خازن قرار می‌گیرد. معمولاً این ماده می‌تواند هوا، پلاستیک، شیشه، کاغذ، میکا یا موادی خاص با ویژگی‌های الکتریکی خاص باشد.
وقتی بین صفحه‌های خازن فضای خالی یا هوا باشد، یک میدان الکتریکی بین آنها شکل می‌گیرد. حالا اگر به جای هوا، یک ماده دی‌الکتریک بین صفحه‌ها بگذاریم، اتفاق جالبی می‌افتد.
مولکول‌های دی‌الکتریک در برابر میدان الکتریکی خارجی قطبیده می‌شوند. یعنی سرهای منفی و مثبت‌شان کمی از هم جدا می‌شود. در نتیجه که یک میدان الکتریکی ضعیف در جهت مخالف میدان اصلی ایجاد می‌شود. این میدان مخالف باعث می‌شود میدان الکتریکی کل بین صفحه‌های خازن کمتر شود.
وقتی میدان بین صفحات ضعیف‌تر شود، برای رسیدن به همان اختلاف پتانسیل قبلی، می‌توانیم بار بیشتری روی صفحات ذخیره کنیم. به عبارت دیگر، با قرار دادن دی‌الکتریک، خازن می‌تواند در ازای همان اختلاف پتانسیل، بار بیشتری را در خود نگه دارد.
با استفاده از دی‌الکتریک‌ها، ظرفیت خازن چند برابر می‌شود، می‌توانیم خازن‌های کوچکتر ولی با ظرفیت بیشتر بسازیم، در بسیاری از مدارهای حساس الکترونیکی، پایداری و عملکرد دقیق‌تری خواهیم داشت.
فروریزش الکتریکی
دی‌الکتریکی که بین صفحه‌های خازن قرار می‌گیرد، نارساناست. پس باری از خود عبور نمی‌دهد. اما اگر اختلاف پتانسیلی بیش از آستانه‌ی تحمل خازن به آن اعمال کنیم؛ سبب می‌شود میدان الکتریکی قوی بین دو صفحه‌ی خازن بوجود آید.
این میدان الکتریکی، نیروی الکتریکی بزرگی به بارهای درون دی‌الکتریک (نارسانا) وارد می‌کند و آنها را به حرکت در می‌آورد. همین امر سبب می‌شود درون نارسانا (دی‌الکتریک) مسیرهای رسانایی ایجاد شود که سبب جرقه زدن خازن و تخلیه الکتریکی آن می‌شود. به این پدیده فروریزش الکتریکی می‌گویند.
در خازن‌های دوربین، مقدار مشخصی انرژی ذخیره می‌شود. اگر خازن با ولتاژی بیشتر از آستانه تحمل خازن شارژ شود، ممکن است دی‌الکتریک آن سوراخ شود و بسوزد و به جای نور کنترل‌شده، تخلیه‌ای ناگهانی و خطرناک رخ دهد.
جالب است بدانید که یاخته‌های عصبی (نورون‌ها) در بدن ما، از نظر الکتریکی رفتاری شبیه به یک خازن تخت دارند. چگونه؟
در نورون، غشای سلولی نقش دی‌الکتریک (ماده‌ی نارسانا بین صفحات خازن) را بازی می‌کند. در دو طرف این غشا، یون‌هایی با بار مخالف (مثلاً یون‌های سدیم و پتاسیم) قرار دارند که مانند بارهای روی صفحات خازن هستند.
در حالت استراحت، بین درون و بیرون سلول اختلاف پتانسیل الکتریکی وجود دارد. وقتی تحریک عصبی اتفاق می‌افتد، این اختلاف پتانسیل تغییر می‌کند و باعث حرکت بارها و ایجاد پالس الکتریکی در طول نورون می‌شود.
انرژی ذخیره شده در خازن
برای جابه‌جایی بار بین صفحه‌های خازن، کار انجام می‌شود. این کار توسط باتری صورت می‌گیرد. انرژی‌ای که صرف این کار می‌شود، در قالب انرژی پتانسیل الکتریکی، در میدان الکتریکی بین صفحه‌های خازن ذخیره می‌شود. بنابراین، انرژی ذخیره‌شده در خازن، در حقیقت انرژی میدان الکتریکی آن است.
برای اینکه انرژی ذخیره شده در خازن را مشاهده کنیم، کافی است دو سر یک خازن پر شده را به دو سر یک لامپ کوچک وصل کنیم. به شرط آنکه ظرفیت و اختلاف پتانسیل خازن به اندازه کافی زیاد باشد، لامپ برای مدتی روشن و سپس خاموش می‌شود.
انرژی ذخیره شده در خازن را می‌توان از رابطه‌های زیر به دست آورد.
انرژی خازن در فلاش دوربین عکاسی
اگر با دوربین‌های عکاسی قدیمی یا حتی بعضی از دوربین‌های امروزی کار کرده باشید؛ احتمالاً دیده‌اید که وقتی دکمه‌ی فلاش را می‌زنید؛ چند ثانیه طول می‌کشد تا فلاش آماده شود؛ بعد ناگهان یک نور بسیار شدید و لحظه‌ای تولید می‌شود.
این اتفاق با کمک خازن می‌افتد. وقتی دکمه‌ی فلاش را فشار می‌دهید؛ مدار الکترونیکی دوربین شروع می‌کند به شارژ کردن یک خازن. خازن انرژی الکتریکی را از باتری می‌گیرد و آن را به‌صورت انرژی پتانسیل الکتریکی در میدان بین صفحه‌های خود ذخیره می‌کند.
وقتی شارژ کامل شد؛ این انرژی در زمانی بسیار کوتاه (کمتر از یک‌هزارم ثانیه) تخلیه می‌شود و از طریق لامپ فلاش، به‌صورت نور بسیار شدید آزاد می‌شود.
انرژی خازن در دستگاه دفیبریلاتور (دستگاه رفع لرزش قلب)
توانایی خازن در ذخیره‌ی انرژی پتانسیل الکتریکی، اساس عملکرد دستگاه‌های دفیبریلاتور است. این دستگاه‌ها برای درمان بیماری‌ای به نام لرزش بطنی قلب استفاده می‌شوند؛ حالتی که در آن انبساط و انقباض قلب به صورت نامنظم و ناهماهنگ انجام می‌شود و در نتیجه، خون به درستی به مغز و سایر اندام‌ها نمی‌رسد.
در این دستگاه، یک باتری با ولتاژ بالا (حدود 2 هزار ولت) خازنی را شارژ می‌کند تا اختلاف پتانسیل بسیار بالایی بین صفحه‌های خازن ایجاد شود. سپس دو صفحه‌ی رابط که به آنها کفشک گفته می‌شود، روی قفسه سینه بیمار قرار می‌گیرند.
خازن انرژی الکتریکی ذخیره شده را در یک لحظه و به سرعت از طریق کفشک‌ها به بدن بیمار منتقل می‌کند. این شوک الکتریکی قوی باعث می‌شود که قلب برای لحظه‌ای متوقف شود و پس از آن با ریتمی منظم و طبیعی دوباره به کار بیفتد.
به بیان ساده‌تر، خازن مانند یک مخزن انرژی عمل می‌کند که انرژی الکتریکی را جمع‌آوری کرده و در زمان مناسب، یک شوک قدرتمند به قلب وارد می‌کند تا آن را به کار طبیعی بازگرداند.
سخن پایانی در مورد خازن‌ها
خازن‌ها از اجزای کلیدی دنیای الکترونیک هستند که نقش نگهدارنده و ذخیره‌کننده انرژی الکتریکی را ایفا می‌کنند. با قابلیت ذخیره انرژی به صورت میدان الکتریکی بین دو صفحه، خازن‌ها توانسته‌اند کاربردهای فراوان و متنوعی در زندگی روزمره و فناوری‌های پیشرفته پیدا کنند.
از تولید نور لحظه‌ای در فلاش دوربین عکاسی گرفته تا دریافت و تقویت صدا در میکروفون‌ها، حسگرهای ایمنی خودرو، و حتی نجات جان انسان‌ها در دستگاه دفیبریلاتور، همه به توانایی خازن در ذخیره و تخلیه سریع انرژی وابسته‌اند.
درک نحوه عملکرد خازن‌ها و عوامل موثر بر ظرفیت آنها، ما را با یکی از پایه‌های مهم مهندسی برق و فیزیک آشنا می‌کند و نشان می‌دهد چگونه اصول ساده فیزیکی، می‌توانند به فناوری‌های پیچیده و حیاتی تبدیل شوند که کیفیت زندگی ما را بهبود می‌بخشند.
بنابراین، شناخت دقیق خازن‌ها نه تنها برای دانش‌آموزان و علاقه‌مندان به علوم الکترونیک، بلکه برای همه کسانی که می‌خواهند دنیای پیرامون خود را بهتر بفهمند؛ اهمیت ویژه‌ای دارد.
دیدگاهتان را بنویسید