خازن چگونه عمل میکند؟
هنگامیکه در یک مدار جریان مستقیم یا DC استفاده میشود، یک خازن تا ولتاژ تغذیه خود شارژ میشود اما جریان را از طریق آن مسدود میکند زیرا دیالکتریک یک خازن نارسانا است و اساساً یک عایق است. با این حال، هنگامیکه یک خازن به یک جریان متناوب یا مدار AC متصل میشود، به نظر میرسد جریان مستقیماً با مقاومت کم یا بدون مقاومت از خازن عبور میکند.
دو نوع بار الکتریکی وجود دارد، یک بار مثبت به شکل پروتون و یک بار منفی به شکل الکترون. هنگامی که یک ولتاژ DC در یک خازن قرار میگیرد، بار مثبت (+ve) به سرعت در یک صفحه جمع میشود درحالیکه یک بار منفی متناظر و مخالف (ve) در صفحه دیگر انباشته میشود. برای هر ذره بار +ve که به یک صفحه میرسد، باری با همان علامت از صفحه -ve خارج میشود.
سپس صفحات خنثی میمانند و اختلاف پتانسیل ناشی از این بار بین دو صفحه ایجاد میشود. هنگامیکه خازن به حالت پایدار خود رسید، جریان الکتریکی به دلیل خواص عایق دیالکتریک مورد استفاده برای جداسازی صفحات، قادر به عبور از خود خازن و اطراف مدار نیست.
جریان الکترونها روی صفحات به عنوان جریان شارژ خازن شناخته میشود که تا زمانی که ولتاژ در هر دو صفحه (و بنابراین خازن) برابر با ولتاژ اعمال شده Vc شود، جریان برقرار است. در این مرحله گفته میشود که خازن با الکترونها “کاملاً باردار ” شده است.
قدرت یا نرخ این جریان شارژ زمانی که صفحات کاملاً دشارژ میشوند (شرایط اولیه) به حداکثر مقدار خود میرسد و به آرامی مقدار آن به صفر کاهش مییابد زیرا صفحات تا اختلاف پتانسیل در صفحات خازن برابر با ولتاژ منبع شارژ میشوند.
مقدار اختلاف پتانسیل موجود در خازن به مقدار باری که توسط کار انجام شده توسط ولتاژ منبع و همچنین به مقدار ظرفیت خازن بر روی صفحات رسوب شده بستگی دارد.
خازن صفحه موازی، اساس عملکرد خازن
خازن صفحه موازی سادهترین شکل خازن است. میتوان آن را با استفاده از دو صفحه فویل فلزی یا متالایز در فاصله موازی با یکدیگر ساخت که مقدار خازنی آن برحسب فاراد است که توسط سطح صفحات رسانا و فاصله جدایی بین آنها تعیین میشود. تغییر هر دو از این مقادیر، مقدار ظرفیت آن را تغییر میدهد و این اساس عملکرد خازنهای متغیر را تشکیل میدهد.
همچنین، ازآنجاییکه خازنها انرژی الکترونها را به شکل بار الکتریکی روی صفحات ذخیره میکنند، هرچه صفحات بزرگتر یا فاصله آنها کوچکتر باشد، باری که خازن برای هر ولتاژ معینی در صفحات خود نگه میدارد بیشتر خواهد بود؛ به عبارت دیگر صفحات بزرگتر و فاصله کمتر، منجر به ظرفیت بیشتر میشوند.
با اعمال ولتاژ به خازن و اندازهگیری بار روی صفحات، نسبت بار Q به ولتاژ V مقدار خازن را به دست میدهد و بنابراین بهصورت زیر داده میشود:
C = Q/V
مقدار بار روی صفحات را طبق فرمول زیر محاسبه میکنند:
Q = C x V
اگرچه گفتیم که بار روی صفحات یک خازن ذخیره میشود، اما دقیقتر است که بگوییم انرژی درون بار در یک “میدان الکترواستاتیک ” بین دو صفحه ذخیره میشود. هنگامیکه جریان الکتریکی به خازن میریزد، شارژ میشود، بنابراین میدان الکترواستاتیک بسیار قویتر میشود زیرا انرژی بیشتری را بین صفحات ذخیره میکند.