از آغاز مطالعه الکتریسیته، تنها در سال 1745 بود که ایوالد یورگن فون کلایست و پیتر ون موشنبروک موفق به حل مشکل انباشت و حفظ آن شدند. این دستگاه که در لیدن، هلند ساخته شد، امکان جمع آوری انرژی الکتریکی و استفاده از آن در مواقع ضروری را فراهم کرد.
شیشه لیدن - نمونه اولیه خازن. استفاده از آن در آزمایش‌های فیزیکی مطالعه الکتریسیته را بسیار جلوتر برد و امکان ایجاد نمونه اولیه جریان الکتریکی را فراهم کرد.
خازن چیست
جمع آوری بار الکتریکی و الکتریسیته هدف اصلی یک خازن است. معمولاً این یک سیستم از دو هادی عایق است که تا حد امکان نزدیک به یکدیگر قرار دارند. فضای بین هادی ها با دی الکتریک پر شده است. بار انباشته شده روی هادی ها متفاوت انتخاب می شود. خاصیت بارهای مخالف که باید جذب شوند به تجمع بیشتر آن کمک می کند. دی الکتریک نقش دوگانه ای دارد: هرچه ثابت دی الکتریک بیشتر باشد، ظرفیت الکتریکی بیشتر است، بارها نمی توانند بر مانع غلبه کنند وخنثی کردن.
ظرفیت الکتریکی کمیت فیزیکی اصلی است که توانایی خازن در جمع آوری بار را مشخص می کند. هادی ها صفحه نامیده می شوند، میدان الکتریکی خازن بین آنها متمرکز است.
انرژی یک خازن شارژ شده ظاهراً باید به ظرفیت آن بستگی داشته باشد.
ظرفیت الکتریکی
پتانسیل انرژی استفاده از خازن های (ظرفیت الکتریکی زیاد) را ممکن می سازد. انرژی یک خازن شارژ شده زمانی استفاده می شود که لازم باشد یک پالس جریان کوتاه اعمال شود.
ظرفیت الکتریکی به چه مقادیری بستگی دارد؟ فرآیند شارژ یک خازن با اتصال صفحات آن به قطب های منبع جریان آغاز می شود. بار انباشته شده روی یک صفحه (که مقدار آن q است) به عنوان بار خازن در نظر گرفته می شود. میدان الکتریکی متمرکز بین صفحات دارای اختلاف پتانسیل U.
ظرفیت الکتریکی (C) به مقدار الکتریسیته متمرکز شده روی یک هادی و ولتاژ میدان بستگی دارد: C=q/U.
این مقدار با F (فاراد) اندازه گیری می شود.
ظرفیت کل زمین با ظرفیت یک خازن که اندازه آن به اندازه یک نوت بوک است قابل مقایسه نیست. شارژ قدرتمند انباشته شده را می توان در وسایل نقلیه استفاده کرد.
با این حال، هیچ راهی برای انباشته شدن مقدار نامحدود برق روی صفحات وجود ندارد. هنگامی که ولتاژ به حداکثر مقدار افزایش می یابد، ممکن است خرابی خازن رخ دهد. بشقاب هاخنثی می شود، که ممکن است به دستگاه آسیب برساند. انرژی یک خازن شارژ شده به طور کامل صرف گرم کردن آن می شود.
ارزش انرژی
گرمایش خازن به دلیل تبدیل انرژی میدان الکتریکی به درونی است. توانایی خازن در انجام کار برای جابجایی بار نشان دهنده وجود منبع کافی برق است. برای تعیین میزان انرژی یک خازن شارژ شده، فرآیند تخلیه آن را در نظر بگیرید. تحت تأثیر میدان الکتریکی با ولتاژ U، بار q از صفحه ای به صفحه دیگر جریان می یابد. طبق تعریف، کار میدان برابر است با حاصل ضرب اختلاف پتانسیل و مقدار بار: A=qU. این نسبت فقط برای یک مقدار ولتاژ ثابت معتبر است، اما در فرآیند تخلیه بر روی صفحات خازن، به تدریج به صفر کاهش می یابد. برای جلوگیری از عدم دقت، مقدار متوسط آن را U/2 می گیریم.
از فرمول ظرفیت الکتریکی داریم: q=CU.
از اینجا می توان انرژی یک خازن باردار را با فرمول تعیین کرد:
W=CU2/2.
می بینیم که مقدار آن هر چه بیشتر باشد، ظرفیت و ولتاژ الکتریکی بالاتر است. برای پاسخ به این سوال که انرژی یک خازن باردار چقدر است، اجازه دهید به انواع آنها بپردازیم.
انواع خازن
از آنجایی که انرژی میدان الکتریکی متمرکز در داخل خازن ارتباط مستقیمی با ظرفیت خازن دارد و عملکرد خازن ها به ویژگی های طراحی آنها بستگی دارد، از انواع مختلفی از دستگاه های ذخیره سازی استفاده می شود.
- با توجه به شکل صفحات: مسطح، استوانه ای، کروی و غیره.e.
- با تغییر ظرفیت: ثابت (ظرفیت تغییر نمی کند)، متغیر (با تغییر خواص فیزیکی، ظرفیت را تغییر می دهیم)، تنظیم. تغییر ظرفیت خازن را می توان با تغییر دما، تنش مکانیکی یا الکتریکی انجام داد. ظرفیت خازن های تریمر با تغییر مساحت صفحات تغییر می کند.
- بر اساس نوع دی الکتریک: گاز، مایع، دی الکتریک جامد.
- بر اساس نوع دی الکتریک: شیشه، کاغذ، میکا، کاغذ فلزی، سرامیک، لایه های نازک با ترکیبات مختلف.
بسته به نوع خازن های دیگر نیز متمایز می شوند. انرژی یک خازن شارژ شده به خواص دی الکتریک بستگی دارد. کمیت اصلی ثابت دی الکتریک نامیده می شود. ظرفیت الکتریکی با آن نسبت مستقیم دارد.
خازن صفحه
ساده ترین وسیله برای جمع آوری بار الکتریکی را در نظر بگیرید - یک خازن تخت. این یک سیستم فیزیکی از دو صفحه موازی است که بین آنها یک لایه دی الکتریک وجود دارد.
شکل بشقاب ها می تواند هم مستطیل و هم گرد باشد. اگر نیاز به به دست آوردن ظرفیت متغیر وجود دارد، مرسوم است که صفحات را به صورت نیم دیسک بگیرید. چرخش یک صفحه نسبت به صفحه دیگر منجر به تغییر در مساحت صفحات می شود.
فرض می کنیم مساحت یک صفحه برابر با S است، فاصله بین صفحات برابر با d در نظر گرفته می شود، ثابت دی الکتریک پرکننده ε است. ظرفیت چنین سیستمی فقط به هندسه خازن بستگی دارد.
C=εε0S/d.
انرژی یک خازن تخت
می بینیم که ظرفیت خازن با مساحت کل یک صفحه نسبت مستقیم و با فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. ضریب تناسب ثابت الکتریکی ε0 است. افزایش ثابت دی الکتریک دی الکتریک باعث افزایش ظرفیت الکتریکی می شود. کاهش مساحت صفحات به شما امکان می دهد خازن های تنظیم را دریافت کنید. انرژی میدان الکتریکی یک خازن باردار به پارامترهای هندسی آن بستگی دارد.
از فرمول محاسبه استفاده کنید: W=CU2/2.
تعیین انرژی یک خازن مسطح باردار طبق فرمول انجام می شود:
W=εε0S U2/(2d).
استفاده از خازن
توانایی خازن ها برای جمع آوری هموار بار الکتریکی و دفع آن با سرعت کافی در زمینه های مختلف فناوری استفاده می شود.
اتصال با سلف ها به شما امکان می دهد مدارهای نوسانی، فیلترهای جریان، مدارهای بازخورد ایجاد کنید.
فلاش‌های عکس، تفنگ‌های بی‌حسی، که در آنها تخلیه تقریباً آنی رخ می‌دهد، از توانایی یک خازن برای ایجاد یک پالس جریان قدرتمند استفاده می‌کنند. خازن از منبع جریان مستقیم شارژ می شود. خود خازن به عنوان عنصری عمل می کند که مدار را قطع می کند. تخلیه در جهت مخالف از طریق یک لامپ با مقاومت اهمی کم تقریباً بلافاصله اتفاق می افتد. در تفنگ شوکر، این عنصر بدن انسان است.
خازن یا باتری
قابلیت نگه داشتن شارژ انباشته شده برای مدت طولانی فرصت فوق العاده ای را برای استفاده از آن به عنوان ذخیره اطلاعات یا ذخیره انرژی می دهد. این ویژگی به طور گسترده در مهندسی رادیو استفاده می شود.
باطری را تعویض کنید، متأسفانه خازن قادر به انجام آن نیست، زیرا خاصیت دشارژ شدن را دارد. انرژی انباشته شده از چند صد ژول تجاوز نمی کند. باتری می تواند مقدار زیادی برق را برای مدت طولانی و تقریباً بدون اتلاف ذخیره کند.
