به نام خدا فصل پانزدهم خازن در جریان مستقیم

خازن خازن وسیله ای الکتریکی است که در مدارهای الکتریکی استفاده می شود و اثر خازنی ایجاد می کند. انرژی الکتریکی در خازن به صورت میدان الکتریکی ذخیره می شود. خازن ها به صورت های مختلف ساخته می شوند که مهم ترین آن ها خازن های مسطح می باشند. خازن مسطح از دو صفحه مسطح که بین آنها عایق قرار دارد درست شده است. عایق را دی الکتریک نیز می گویند. دی الکتریک را با یک ضریب به نام ضریب دی الکتریکی با هوا می سنجند و با ε (ابسیلون) نشان می دهند.

میدان الکتریکی هنگامی که خازن شارژ می شود یک صفحه دارای بار مثبت و یک صفحه دارای بار منفی می شود. عایق باعث می شود دو صفحه به طرف هم حرکت نکنند. بین دو صفحه یک میدان الکتریکی یکنواخت ایجاد می شود.

شارژ خازن هر گاه یک خارن را به باتری وصل کنیم خازن شارژ می شود. صفحه ای که به قطب منفی وصل دارای بار منفی و صفحه ای که به قطب مثبت وصل است دارای بار مثبت می باشد. الکترون ها از قطب منفی به طرف صفحه ای که به آن وصل است رفته و همان تعداد الکترون از صفحه دیگر به طرف قطب مثبت باتری رفته. در این مدت از خازن جریان (جریان شارژ) عبور کرده و وقتی خازن شارژ شد این جریان صفر می شود.

باید توجه داشت که شارژ خازن به اندازه ولتاژ باتری انجام می گیرد و جریان خازن و ولتاژ خازن در هنگام شارژ عکس یکدیگر می باشند.

دشارژ خازن پس از شارژ خازن با جدا کردن باتری از خازن ، خازن به صورت شارژ شده باقی می ماند. عمل از دست دادن شارژ خازن را دشارژ گویند. برای دشارژ خازن کافی است که دو صفحه خازن را توسط یک سیم به هم وصل کرد. در این هنگام الکترون ها از صفحه منفی به صفحه مثبت حرکت کرده و یک جریان دشارژ ایجاد می کند.

ظرفیت خازن ظرفیت خازن را با C نشان می دهند و واحد آن فاراد می باشد. و تعریف آن عبارت است از مقدار باری که باید روی دو صفحه ذخیره شود تا بین دو صفحه اختلاف پتانسیل 1 ولت ایجاد شود. فاراد (F) واحد های دیگر ظرفیت عبارتند از

تعریف فاراد: یک فاراد ظرفیت یک خازن می باشد که اگر در دو صفحه یک کولن بار ذخیره شده باشد بین دو صفحه اختلاف پتانسیل یک ولت ایجاد شود. مثال: اگر در هر کدام از صفحه های خازن 10 کولن بار زخیره شده باشد و بین دو صفحه اختلاف پتانسیل 20 ولت ایجاد شده باشد ظرفیت این خازن چقدر است؟ مثال: خازن با ظرفیت 3میکرو فاراد و اختلاف پتانسیل 10 ولت چقدر بار در روی صفحه های ذخیره شده است؟

عوامل موثر در ظرفیت خازن عوامل موثر بر ظرفیت خازن عبارتند از 1- مساحت صفحه های خازن 2- فاصله صفحه ها از یکدیگر 3- جنس عایق بین دو صفحه

مساحت هر چه مساحت صفحه های خازن بزرگتر باشد ظرفیت خازن نیز بزرگ تر می باشد.

فاصله بین صفحات هر چه فا صله بین دو صفحه کم باشد ظرفیت خازن بیشتر شده و برعکس. نکته: کم ترین فاصله ای که بین دو صفحه قرار می گیرد به ولتاژ و نوع عایق بستگی دارد.

دی الکتریک بین دو صفحه ماده عایقی که بین دو صفحه قرار دارد را دی الکتریک گویند. دی الکتریک می تواند هوا ، کاغذ، چوب ، پلاستیک و شیشه و غیره می باشد. بعضی از دی الکتریک ها ظرفیت زیادی در خازن ایجاد می کنند.

ثابت دی الکتریک جنس دی الکتریک در ظرفیت خازن تاثیر دارد. از این رو خواص دی الکتریک ها را نسبت به هوا می سنجند. ثابت دی الکتریک هوا را با ε0 نشان می دهند و ثابت دی الکتریک هر عایق دیگر را با εrε0 نشان می دهند. εr را ثابت دی الکتریک نسبی گویند. εr بیانگر این است که ثابت دی الکتریک ماده چند برابر ثابت دی الکتریک هواست. ظرفیت خازن مسطح

حد اکثر ولتاژی که دی الکتریک می تواند تحمل کند را قابلیت دی الکتریک گویند. آن را بر حسب ولت بر متر می سنجند. مثال: ظرفیت خازنی به سطح 03/ متر مربع و فاصله 30 سانتی متر با ثابت دی الکتریک نسبی 2 را بدست آورید.

نکته: در خازن علاوه بر ظرفیت حداکثر ولتاژ DC خازن مشخص شده است.

ضریب حرارتی نشت در خازن ها همانطور که در مقاومت تغییر دما باعث تغییر مقاومت می شود در خازن نیز تغییر دما ظرفیت خازن را تغییر می دهد. انواع ضریب حرارتی را نام ببرید. نشت در خازن ها دی الکتریک خازن ها باید طوری باشد که از عبور جریان در خازن جلوگیری کند. در عمل عایق صد در صدی وجود ندارد. لذا دی الکتریک ها جریان کمی را از خود عبور می دهند. مقاومتی که هر دی الکتریک در مقابل عبور جریان نشان می دهد را مقاومت نشتی خازن گویند.

انواع مدارهای RC ثابت زمانی مدارهای RC نیز مانند مدارهای RL دو نوع می باشند. که عبارتند از 1- RC با منبع: مدار شامل خازن و مقاومت و منبع می باشد. 2- RC بدون منبع : مدار شامل خازن با ولتاژ اولیه و مقاومت می باشد. ثابت زمانی اگر خازن و یک مقاومت را به یک باتری وصل کنیم مدتی طول می کشد تا خازن شارژ شود. که این مدت به ثابت زمانی مدار بستگی دارد. ثابت زمانی را با τ (تاو) نشان می دهند و بر حسب ثانیه است. بر حسب ثانیه ثابت زمانی مدت زمانی است که طول می کشد ولتاژ خازن به 63.8 درصد نهایی خود برسد. ثابت زمانی مدت زمانی است که طول می کشد ولتاژ خازن به 36.8 درصد اولیه خود برسد.

نکته: ولتاژ خازن پس از 5 ثابت زمانی شارژ یا دشارژ می شود. نکته: خازن در مدار DC در حالت دائم به صورت مدار باز رفتار می کند.

نکته: ولتاژ خازن پس از 5 ثابت زمانی شارژ یا دشارژ می شود.

انرژی ذخیره شده در خازن قبلا“ گفته شد که خازن انرژی الکتریکی را به صورت میدان الکتریکی در خود ذخیره می کند. مثال: انرژی ذخیره در یک خازن به ظرفیت 2میکرو فاراد و ولتاژ 300 ولت چقدر می باشد.

اتصال خازن ها انواع اتصال خازن ها اتصال سری خازن را برای بدست آوردن ظرفیت های مختلف باهم ترکیب(متصل) می کنند. انواع اتصال خازن ها 1- سری 2- موازی 3- اتصال مختلط اتصال سری شکل زیر اتصال سری خازن ها را نشان می دهد. در اتصال سری بار خازن ها برابر می باشد و ولتاژ منبع بین خازن ها تقسیم می شود.

نکته: اگر خازن ها داری ظرفیت برابر باشند و سری هم باشند ظرفیت معادل به صورت زیر بدست می آید. اتصال موازی خازن ها در اتصال موازی خازن ها ولتاژ خازن ها برابر می باشد و بار کل بین خازن ها تقسیم می شوند. در شکل زیر اتصال موازی خازن ها نشان داده شده است.

نکته: در اتصال موازی چند خازن مساوی ظرفیت از رابطه زیر بدست می آید. نکته: در اتصال سری ظرفیت معادل از همه ظرفیت ها کم تر است. نکته: در اتصال موازی ظرفیت معادل از همه ظرفیت ها بزرگتر است. اتصال مختلط خازن ها در نوع اتصال، خازن ها به صورت سری و موازی به هم بسته می شوند.

جمع بندی خواص سری و موازی خازن ها خواص سری و موازی خازن ها به صورت زیر می باشد.

مثال: در شکل زیر ولتاژ و بار هر خازن و ظرفیت کل چقدر است.

مثال: ظرفیت معادل مدار زیر را بدست آورید. C1,C2 سری و C3,C4 موازی می باشند.

مثال: در شکل زیر شکل جریان و ولتاژ خازن را رسم کنید.