امروز: یکشنبه ۲۸-آبان-۱۳۹۶ / الأحد 01-ربيع أول-1439 / Sunday 2017-November-19

مناسبت روز
پیام سایت :

مقاله خازن

مقاله خازن

مقدمه
خازن المان الکتریکی است که می‌تواند انرژی الکتریکی را توسط میدان الکترواستاتیکی(بار الکتریکی( در خود ذخیره کند. انواع خازن در مدارهای الکتریکی بکار می‌روند. خازن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش می‌دهند. ساختمان داخلی خازن از دو قسمت اصلی تشکیل می‌شود:
الف – صفحات هادی
ب – عایق بین هادیها (دی الکتریک)
ساختمان خازن
هرگاه دو هادی در مقابل هم قرار گرفته و در بین آنها عایقی قرار داده شود، تشکیل خازن می‌دهند. معمولا صفحات هادی خازن از جنس آلومینیوم ، روی و نقره با سطح نسبتا زیاد بوده و در بین آنها عایقی (دی الکتریک) از جنس هوا ، کاغذ ، میکا ، پلاستیک ، سرامیک ، اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم استفاده می‌شود. هر چه ضریب دی الکتریک یک ماده عایق بزرگتر باشد آن دی الکتریک دارای خاصیت عایقی بهتر است. به عنوان مثال ، ضریب دی الکتریک هوا ۱ و ضریب دی الکتریک اکسید آلومینیوم ۷ می‌باشد. بنابراین خاصیت عایقی اکسید آلومینیوم ۷ برابر خاصیت عایقی هوا است.


۱۸
انواع خازن
الف- خازنهای ثابت
• سرامیکی
• خازنهای ورقه‌ای
• خازنهای میکا
• خازنهای الکترولیتی
o آلومینیومی
o تانتالیوم

ب- خازنهای متغیر
• واریابل
• تریمر
انواع خازن بر اساس شکل ظاهری آنها
۱٫ مسطح
۲٫ کروی
۳٫ استوانه‌ای
انواع خازن بر اساس دی الکتریک آنها
۱٫ خازن کاغذی
۲٫ خازن الکترونیکی
۳٫ خازن سرامیکی
۴٫ خازن متغییر

خازن کروی
خازن مسطح (خازن تخت(
دو صفحه فلزی موازی که بین آنها عایقی به نام دی الکتریک قرار دارد، مانند (هوا ، شیشه). با اتصال صفحات خازن به یک مولد می‌توان خازن را باردار کرد. اختلاف پتانسیل بین دو سر صفحات خازن برابر اختلاف پتانسیل دو سر مولد خواهد بود.
ظرفیت خازن (C)
نسبت مقدار باری که روی صفحات انباشته می‌شود بر اختلاف پتانسیل دو سر باتری را ظرفیت خازن گویند؛ که مقداری ثابت است.
۱۹
C = kε۰ A/d

C = ظرفیت خازن بر حسب فاراد

Q =بار ذخیره شده برحسب کولن

V=اختلاف پتانسیل دو سر مولد برحسب ولت

ε۰ =قابلیت گذر دهی خلا است که برابر است با: ۸٫۸۵ × ۱۲-۱۰ _ C2/N.m2
k بدون یکا) = ثابت دی الکتریک است که برای هر ماده‌ای فرق دارد. تقریبا برای هوا و خلأ۱=K
است و برای محیطهای دیگر مانند شیشه و روغن ۱
=A سطح خازن بر حسب m2
d =فاصله بین دو صفه خازن بر حسب m
۲۰
چند نکته:
• آزمایش نشان می‌دهد که ظرفیت یک خازن به اندازه بار (q) و به اختلاف پتانسیل دو سر خازن (V) بستگی ندارد بلکه به نسبت q/v بستگی دارد.
• بار الکتریکی ذخیره شده در خازن با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم دارد. یعنی: q a v
• ظرفیت خازن با فاصله بین دو صفحه نسبت عکس دارد. یعنی: C a 1/d
• ظرفیت خازن با مساحت هر یک از صفحات و جنس دی الکتریک (K )نسبت مستقیم دارد. یعنی: C a A و C a K
شارژ یا پر کردن یک خازن
وقتی که یک خازن بی بار را به دو سر یک باتری وصل کنیم؛ الکترونها در مدار جاری می‌شوند. بدین ترتیب یکی از صفحات بار (+) و صفحه دیگر بار (-) پیدا می‌کند. آن صفحه‌ای که به قطب مثبت باتری وصل شده ؛ بار مثبت و صفحه دیگر بار منفی پیدا می‌کند. خازن پس از ذخیره کردن مقدار معینی از بار الکتریکی پر می‌شود. یعنی با توجه به اینکه کلید همچنان بسته است؛ ولی جریانی از مدار عبور نمی‌کند و در واقع جریان به صفر می‌رسد. یعنی به محض اینکه یک خازن خالی بدون بار را در یک مدار به مولد متصل کردیم؛ پس از مدتی کوتاه عقربه گالوانومتر دوباره روی صفر بر می‌گردد. یعنی دیگر جریانی از مدار عبور نمی‌کند. در این حالت می‌گوییم خازن پرشده است.
دشارژ یا تخلیه یک خازن
ابتدا خازنی را که پر است در نظر می‌گیریم. دو سر خازن را توسط یک سیم به همدیگر وصل می‌کنیم. در این حالت برای مدت کوتاهی جریانی در مدار برقرار می‌شود و این جریان تا زمانی که بار روی صفحات خازن وجود دارد برقرار است. پس از مدت زمانی جریان صفر خواهد شد. یعنی دیگر باری بر روی صفحات خازن وجود ندارد و خازن تخلیه شده است. اگر خازن کاملا پر شود دیگر جریانی برقرار نمی‌شود و اگر خازن کاملا تخلیه شود باز هم جریانی برقرار نمی‌شود.

۲۱

تأثیر ماده دی‌الکتریک در فضای بین دو صفحه موازی یک خازن
وقتی که خازنی را به مولدی وصل می‌کنیم؛ یک میدان یکنواخت در داخل خازن بوجود می‌آید. این میدان الکتریکی بر توزیع بارهای الکتریکی اتمی عایقی که در درون صفحات قرار دارد اثر می‌گذارد و باعث می‌شود که دو قطبیهای موجود در عایق طوری شکل گیری کنند؛ که در یک سمت عایق بارهای مثبت و در سمت دیگر آن بارهای منفی تجمّع کنند. توزیع بارهایی که در لبه‌های عایق قرار دارند؛ بر بارهای روی صفحات خازن اثر می‌گذارد. یعنی بارهای منفی روی لبه‌های عایق؛ بارهای مثبت بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند؛ و همینطور بارهای مثبت روی لبه‌های عایق بارهای منفی بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند. بنابراین با افزایش ثابت دی الکتریک (K) می‌توان بارهای بیشتری را روی خازن جمع کرد و باعث افزایش ظرفیت یک خازن شد. با گذاشتن دی الکتریک در بین صفحات یک خازن ظرفیت آن افزایش می‌یابد.
میدان الکتریکی درون خازن تخت
در فضای بین صفحات خازن بار دار میدان الکتریکی یکنواختی برقرار می‌شود که جهت آن همواره از صفحه مثبت خازن به سمت صفحه منفی خازن است. اندازه میدان همواره یک عدد ثابت می‌باشد.
E=V/d
E =میدان الکتریکی

V=اختلاف پتانسیل دو سر خازن

d =فاصله بین دو صفحه خازن

میدان الکتریکی با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم و با فاصله بین صفحات خازن نسبت عکس دارد. ۲۲
به هم بستن خازنها
خازنها در مدار به دو صورت بسته می‌شوند:
۱٫ موازی
۲٫ متوالی (سری)
بستن خازنها به روش موازی
در بستن به روش موازی بین خازنها دو نقطه اشتراک وجود دارد. در این نوع روش:

• اختلاف پتانسیل برای همه خازنها یکی است.
• بار ذخیره شده در کل مدار برابر است با مجموع بارهای ذخیره شده در هریک از خازنها.
ظرفیت معادل در حالت موازی
مولد V = V1 = V2 = V3

بار کل Q = Q1 + Q2 + Q3

CV = C1V1 + C2V2 + C3V3

ظرفیت کل : C = C1 + C2 + C3

اندیسها مربوط به خازنهای ۱ ؛ ۲ و ۳ می‌باشد. هرگاه چند خازن باهم موازی باشند، ظرفیت خازن معادل برابر است با مجموع ظرفیت خازنها.
۲۳
بستن خازنها بصورت متوالی
در بستن به روش متوالی بین خازنها یک نقطه اشتراک وجود دارد و تنها دو صفحه دو طرف مجموعه به مولد بسته شده ؛ از مولد بار دریافت می‌کند. صفحات مقابل نیز از طریق القاء بار الکتریکی دریافت می‌کنند. بنابراین اندازه بار الکتریکی روی همه خازنها در این حالت باهم برابر است. در بستن خازنها به طریق متوالی:

• بارهای روی صفحات هر خازن یکی است.
• اختلاف پتانسیل دو سر مدار برابر است با مجموع اختلاف پتانسیل دو سر هر یک از خازنها.
ظرفیت معادل در حالت متوالی:

بار کل Q = Q1 + Q2 + Q3

اختلاف پتانسیل کل V = V1 = V2 = V3

q/C = q1/C1 + q2/C2 + q3/C3

C-1 = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3
ظرفیت کل در حالت متوالی ، وارون ظرفیت معادل ، برابر است با مجموع وارون هریک از خازنها.
۲۴
انرژی ذخیره شده در خازن
پر شدن یک خازن باعث بوجود آمدن بار ذخیره در روی آن می‌شود و این هم باعث می‌شود که انرژی روی صفحات ذخیره گردد. کل کاری که در فرآیند پر شدن خازن انجام می‌شود از طریق محاسبه بدست می‌آید.
کاربرد خازن
با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود؛ برای ایجاد میدانهای الکتریکی یکنواخت می‌توان از خازن استفاده کرد. خازنها می‌توانند میدانهای الکتریکی را در حجمهای کوچک نگه دارند؛ به علاوه می‌توان از آنها برای ذخیره کردن انرژی استفاده کرد. خازن در اشکال مختلف ساخته می‌شود
خازنهای سرامیکی

capacitor) ) معمول ترین خازن غیر الکترولیتی است که در آن دی الکتریک بکار رفته از جنس سرامیک است . ثابت دی الکتریک سرامیک بالا است ، از این رو امکان ساخت خازن های با ظرفیت زیاد در اندازه ی کوچک را در مقایسه با سایر خازن ها بوجود آورده ، در نتیجه ولتاژ کار آنها بالا خواهد بود . ظرفیت خازنهای سرامیکی معمولا بین ۵ پیکو فاراد تا ۱/۰ میکرو فاراد است . این نوع خازن به صورت دیسکی ( عدسی ) و استوانه ای تولید می شود و فرکانس کار خازن های سرامیکی بالای ۱۰۰ مگاهرتز است . عیب بزرگ این خازن ها وابسته بودن ظرفیت آن ها به دمای محیط است ، زیرا با تغییر دما ظرفیت خازن تغییر می کند . از این خازن در مدارهای الکترونیکی ، مانند مدارهای مخابراتی و رادیویی استفاده می شود .

خازنهای ورقه‌ای

در خازن های ورقه ای از کاغذ و مواد پلاستیکی به سبب انعطاف پذیری آن ها ، برای دی الکتریک استفاده می شود . این گروه از خازن ها خود به دو صورت ساخته می شوند:
الف- خازن های کاغذی : دی الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکیل شده که یک دی الکتریک مناسب درون آن تزریق می گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد . برای جلوکیری از تبخیر دی الکتریک درون کاغذ ، خازن را درون یک قاب محکم و نفوذ نا پذیر قرار می دهند .
خازن های کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی الکتریک عایق آن ها دارای ابعاد فیزیکی بزرگ هستند اما از مزایای این خازن ها آن است که در ولتاژ ها و جریانهای زیاد می توان از آنها استفاده کرد .در شکل زیر ساختمان داخلی خازن کاغذی مشاهده می گردد:

۲۵

ب – خازنهای پلاستیکی : در این نوع خازن از ورقه های نازک پلاستیک برای دی الکتریک استفاده می شود. ورقه های پلاستیکی همراه با ورقه های نازک فلزی ) آلومینیومی) به صورت لوله ، در درون
قاب پلاستیکی بسته بندی می شوند.
امروزه این نوع خازنها به دلیل داشتن مشخصات خوب در مدارات زیاد به کار می روند . این خازنها نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند ، به همین سبب از آنها در مداراتی استفاده می کنند که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت باشد . یکی از انواع دی الکتریک هایی که در این خازنها به کار می رود پلی استایرن (Polystyrene) است، از این رو به این خازنها ” پلی استر ” گفته می شود که از جمله رایج ترین خازنهای پلاستیکی است. ماکزیمم فرکانس کار خازنهای پلاستیکی
حدود یک مگا هرتز است .

در شکل زیر ساختمان داخلی خازن پلاستیکی را می بینید:
در این نوع خازن از ورقه های نازک میکا در بین صفحات خازن ( ورقه های فلزی – آلومینیوم ) استفاده می شود و در پایان ، مجموعه در یک محفظه قرار داده می شوند تا از اثر رطوبت جلوگیری شود . ظرفیت خازنهای میکا تقریبا بین ۰۱/۰ تا ۱ میکرو فاراد است . از ویژگی های اصلی و مهم این خازنها می توان داشتن ولتاژ کار بالا ،عمرطولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا را نام برد .در شکل زیر
تصویر ساختمان داخلی این خازن نشان داده شده است .
۲۶

خازنهای میکا

خازنهای الکترولیتی

این نوع خازن‌های معمولاً در رنج میکروفاراد هستند . خازنهای الکترولیتی همان خازن‌های ثابت هستند اما اندازه و ظرفیتشان از خازن‌های ثابت بزرگتر است. نام دیگر این خازن‌ها، شیمیایی است. علت نامیدن آنها به این نام این است که دی‌الکتریک این خازن‌ها را به نوعی مواد شیمیایی آغشته می‌کنند که در عمل ، حالت یک کاتالیزور را دارا می‌باشند. و باعث بالا رفتن ظرفیت خازن می‌شوند . برخلاف خازن‌های عدسی ، این خازن‌ها دارای قطب یا پایه مثبت و منفی می‌باشند. روی بدنه خازن کنار پایه منفی، علامت – نوشته شده است. مقدار واقعی ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل آنها نیز روی بدنه درج شده است .خازن های الکترولیتی در دو نوع آلومینیومی و تانتالیومی ساخته می شوند
خازن آلومینیومی
این ، خازن همانند خازن های ورقه ای از دو ورقه ی آلومینیومی تشکیل شده است . یکی از این ورقه ها که لایه ی اکسید روی آن ایجاد می شود “آند ” نامیده می شود و ورقه آلومینیومی دیگر نقش کاتد را دارد .
ساختمان داخلی آن بدین صورت است که دو ورقه آلومینیومی به همراه دو لایه ی کاغذ متخلخل که در بین آن ها قرار دارند هم زمان پیچیده شده و سیم های اتصال نیز به انتهای ورقه های آلومینیومی متصل می شوند . د رشکل زیر نحوه پیچیدن ورقه ها را ملاحظه می کنید .

۲۷
پس از پیچیدن ورقه ها آن رادرون یک الکترولیت مناسب که شکل گیری لایه اکسید را سرعت می بخشد غوطه ور می سازند تا دو لایه ی کاغذ متخلخل از الکترولیت پر شوند . سپس کل مجموعه را درون یک قاب فلزی قرار داده و با یک پولک پلاستیکی که سیم های خازن از آن می گذرد محکم بسته می شود .

خازن تانتالیوم
در این نوع خازن به جای آلومینیوم از فلز تانتالیوم استفاده می شود زیاد بودن ثابت دی الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم) حدودا ۳ برابر) سبب می شود خازن های تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی درحجم مساوی دارای ظرفیت بیشتری باشند .

محاسن خازن تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی بدین قرار است :

الف – ابعاد کوچکتر

ب- جریان نشتی کمتر

ج- عمر کارکرد طولانی
از جمله معایب این نوع خازن درمقایسه با خازنهای آلومینیومی عبارتنداز:

الف – خازن ها ی تانتالیوم گران تر هستند .
ب – نسبت به افزایش ولتاژ اعمال شده در مقابل ولتاژ مجاز آن ، هم چنین معکوس شدن پلاریته حساس ترند .
ج – قابلیت تحمل جریان های شارژ و دشارژ زیاد را ندارند.
د – خازن های تانتالیوم دارای محدودیت ظرفیت هستند (حد اکثر تا ۳۳۰ میکرو فاراد ساخته می شوند).
۲۸

مقاله خازن

نظر خود را بگذارید .

تمامی حقوق مادی و معنوی این سایت متعلق به کانون مهندسین نور میباشد .

نقشه سایت
قالب وردپرس