تحقیق مقاله خازن‌

خازن‌

خازن ابزاری است که انرژی در میدان الکتریکی دو هادی که دارای بار یکسان ولی مخالف هستند بوجود می آید ذخیره می کند .

خازن را گهگاه بنام اصطلاح قبلی آن که کندانسور است می خوانند .

1 تاریخ

در حدود 600BC قبل از میلاد ثبت شد که یک یونانی باستانی بوسیله ساچمه توپ های کهربا بر روی محور جرقه تولید کند . این نتیجه ایجاد برق در اثر اصطکاک مالشی است.

جداسازی مکانیکی بار در دی الکتریک

این نتیجه اساس کار خازن است . در اکتبر 1745  Ewald Georg vonkleist اهل ژپومرانیا اولین خازن ثبت شده را اختراع کرد : یک لیوان دهن گشاد که درون و بیرون آن به وسیله فنر پوشانده شده است . پوشش بیرونی به میله أی که از وسط دریچه عبور می کرد و به کره ختم می شد متصل بود. Von kleist  به طور نمایش و به وسیله لایه بندی جسم عایق بین دو صفحه  فلزی چگالی بار را افزایش داد. قبل از اینکه کشف kleist بطور گسترده مشهور شود یک فیزیکدان هلندی به نام                                                                                                    مستقلانه یک خازن مشابه را کشف کرده بود که در ژانویه سال 1747 آن خازن را به نام بطری لید نامید. این نام گذاری به یادبود دانشگاه لیدن که Van Musschenbroek  در آن کار می کرد انجام شد.

Benjamin Franklin در مورد بطری لید به تحقیق پرداخت و بار ذخیره شونده در لیوان (نه در آب) را بهبود داد. در آغاز کار واحد ظرفیت "jars"  (دقه زدن ، ضربه زدن) یک   jar معادل  1 nF  است .

به زودی لغت خازن همانند کندانسور مشهور شد. تا مدتی که هنوز گهگاه امروزه استفاده می شود که این لغت از لغت ولتا در 1782 (که از لغت condensatione استنتاج می شود) مسکوک شده است که به ابزاری که توانایی ذخیره چگالی بالای بار الکتریکی نسبه به القاگر عایق شده معمولی را دارد اشاره دارد. بیشتر  مردم بجز انگلیسی ها هنوز از نغت استنتاج شده از Condensatone استفاده می کردند مانند فرانسوی ها condensateur و آلمانی ها Kondensator

2 فیزیک :

1   بازنگری :

خازن شامل دو صفحه با الکترود می شود که هر یک از انها بار مخالفی را ذخیره می کند.

این دو صفحه هادی هستند و همچنین به وسیله یک نارسانا یا یک دی الکتریک از هم جدا شده اند بر روی سطح صفحات در مرز به وسیله أی الکتریک با ذخیره شده است. زیرا هر صفحه بار مساوی اما مختلف العلام در خود ذخیره می کند. کل بار خازن همیشه صفر است .

2 ظرفیت

ظرفیت خازن (C) با مقدار ( Q) ذخیره شده در هر صفحه بر اختلاف پتانسیل با ولتاژ (V) معین که بین دو صفحه به نظر می رسد اندازه گیری می شود.  

در واحد SI یک خازن ظرفیت برابر یک فاراد دارد هنگامی که یک کولمب بار باعث اختلاف پتانسیل 1 ولت بین دو صفحه می شود چون یک فاراد یک واحد بزرگ است . ارزش خازن ها با میکرو فاراد و نانوفاراد بیان می شود.

ظرفیت با سطح صفحه رسانا رابطه مستقیم و با فاصله صفحات رابطه معکوس دارد. و همچنین با ثابت دی الکتریک نیز متناسب است ( که هیچ رسانایی ندارد) جسمی که دو صفحه را جدا می کند.

ظرفیت صفحه های موازی خازن بدست می آید با :

که ثابت دی الکتریک  و A سطح صفحات خازن و d فاصله آنهاست.

3 ذخیره انرژی

هنگامی که بارهای مخالف بر روی سطوح خازن ناشی از جداسازی بارها انباشته می شود ولتاژ سراسر خازن به علت میدان الکتریکی این بارها افزایش می یابد . هر افزایش بایستی بر خلاف افزایش الکتریکی هنگامی که بار بیشتری جدا می شود انجام می شود.

انرژی ( اندازه گیری می شود با ژول در SI ) ذخیره شده در خازن برابر است با میزان کار در مورد نیاز برای انتشار ولتاژ در سراسر خازن متعاقباً میدان الکتریکی انرژی ذخیره شده به صورت زیر بدست می آید .

که V  ولتاژ سراسر خازن است

3 در مدارهای الکتریکی

1 در مدارهای DC

الکترون ها مستقیماً نمی توانند سراسر دی الکتریک را از یک صفحه به صفحه دیگر بگذرند. هنگامی که جریانی در خازن وجود دارد الکترون ها در روی یک صفحه انباشته شده و از صفحه دیگر انتقال می یابند. این فرآیند عرفاً  " charging" خازن نامیده می شود ولو اینکه خازن در همه اوقات از نظر الکتریکی خنثی باشد. در حقیقت جریان درون خازن باعث جداسازی سریعتر از انباشتگی بار الکتریکی می شود این جداسازی با رعایت گسترش میدان الکتریکی بین صفحات خازن ناشی از ولتاژ سراسر صفحات می شود این ولتاژ V نسبت مستقیم با مقدار بار جدا شده دارد. اما Q فقط تابع اولیه زمان جریان I درون خازن است. توضیح اینکه ریاضی بدین گونه است

که I  جریان گذرنده در جهت متداول است و با آمپر اندازه گیری می شود.

  مشتق ولتاژ نسبت به زمان است که با ثانیه/ ولت اندازه گیری می شود. C ظرفیت خازن بر حسب فاراد است .

برای مدارهایی  با منبع ولتاژ پایدار DC ولتاژ سراسر خازن نمی تواند از ولتاژ منبع تجاوز کند بدین گونه یک موازنه بدست می آید که ولتاژ سراسر خازن ثابت و جریان درون خازن صفر است برای این استدلال این معمول است که بگوییم خازن ها جریان DC را بند                 می آورند.

2 در مدارهای AC

جریان خازن ناشی از ولتاژ و یا بر عکس جهت جریان منبع متناوب است. این جریان AC متناوباً ضخامت را باردار می کند ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر . با استثناء قائل شدن لحظه أی که جریان عوض می شود جریان خازن هیچ گاه در یک حوزه صفر نمی شود با این نتیجه می توان عرفاً گفت که خازن جریان AC را رد می کند هر چند هیچ موقع واقعاً بین صفحات را قطع نمی کنند (از صفحات عبور نمی کنند) .

می توان نشان داد ولتاژ سراسر خازن مربع جریان AC درون خازن است این بدین معنی است ولتاژ جریان به اندازه یک چهارم دوره تناوب با هم اختلاف فاز دارند.

دامنه ولتاژ به دامنه جریان تقسیم شونده به وسیله ضرب فرکانس جریان با ظرفیت C وابسته است . نسبت دامنه ولتاژ به دامنه جریان راکتانس نامیده می شود. ظرفیت راکتانس  به صورت زیر بدست می آید

w = فرکانس زاویه که با رادیان بر ثانیه اندازه گیری می شود.

xc = ظرفیت راکتانس که با اهم اندازه گیری می شود.

f = فرکانس AC در هرتز است.