اغلب روزها به آسمان نگاه می‌کنید و خازن های غول پیکری را بالای سرتان، شناور میبینید. خازن ها (که با اسم چگالنده (condenser) هم شناخته می‌شوند) قطعاتی هستند که با هدف ذخیره انرژی به صورت گسترده در تلویزیون ها، رادیوها و سایر تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شوند. رادیو را برای شنیدن ایستگاه مشخص تنظیم کنید؛ با فلش از یک سوژه عکاسی کنید یا کانال تلویزیون خود را تغییر دهید؛ در تمام این حالات، شما در حال استفاده صحیح از خازن ها هستید. خازن هایی که در آسمان پراکنده هستند با نام، ابر شناخته می‌شوند. اگرچه بسیار غول پیکرتر از خازن هایی هستند که ما در الکترونیک از آن استفاده می کنیم اما هر دوی آن ها به یک شکل انرژی را در خود ذخیره می کنند. بیایید نگاه دقیق تری به خازن‌ها و طرز کارشان بیاندازیم.
دو رسانای الکتریکی (چیزی که جریان بتواند از آن عبور کند) را بوسیله یک عایق (ماده ای که مانع عبور جریان الکتریکی می شود) از هم جدا کنید؛ حالا یک خازن ساخته‌اید! وسیله ای که توان ذخیره کردن انرژی را دارد. به فرایند افزودن انرژی به خازن، شارژ شدن گفته میشود. به فرایند خروج انرژی از خازن، تخلیه گفته میشود. خازن از لحاظی به باتری شباهت دارد اما وظایفشان از هم متفاوت است. باتری از مواد شیمیایی برای ذخیره انرژی الکتریکی و خروج آهسته آن به سمت مدار، مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ گاهی نیز ممکن است این تخلیه انرژی سال‌ها طول بکشد (مانند ساعت های کوارتزی که بی‌نیاز از تعویض باتری هستند و سال‌ها بی‌وقفه کار می‌کنند). اما یک خازن به سرعت یا بهتر است بگوییم در یک لحظه تخلیه انرژی را انجام می‌دهد. اگر برای عکاسی از فلش استفاده می‌کنید، نیاز است دوربین عکاسیتان در یک لحظه حجم عظیمی از نور را برایتان ایجاد کند. خازن‌های فلش دوربین، از باتری‌های دوربین استفاده کرده، در طول چند ثانیه شارژ می‌شوند (معمولا فرایند شارژ شدن خازن‌ها زمان‌بر است). بعد از آنکه خازن کاملا شارژ شد، در یک لحظه تمام انرژی از طریق لامپ زنون فلش تخلیه میشود.
خازن چگونه کار میکند؟!
خازن‌ها در اشکال و ابعاد مختلف ساخته می‌شوند اما معمولا ساختار پایه‌ای یکسان دارند. دو رسانا که به دلایل تاریخی بشقاب نامیده می‌شوند و یک عایق که میان آن دو قرار دارد؛ این دو بشقاب درون خازن به دو ترمینال الکتریکی به بیرون خازن وصل شده‌اند که به کمک آن می‌توانید خازن را در مدار قرار دهید.
برای شارژ خازن، آن را به مدار وصل کنید. زمانیکه تغذیه را متصل می‌کنید، شارش الکتریکی به بشقاب‌ها به وقوع می پیوندد. یکی از بشقاب‌ها با انرژی مثبت شارژ میشود و بشقاب دیگر به همان میزان با انرژی منفی شارژ میشود. اگر تغذیه را قطع کنید، خازن شارژ را حفظ میکند اما به مرور زمان و به آهستگی نشت میکند. اما اگر خازن را به مدار دیگری؛ که موتور یا لامپی در آن قرار دارد وصل کنید، شارژ از خازن به سمت موتور الکتریکی و لامپ سرازیر می شود تا اینکه انرژی در بشقاب باقی نماند. هرچند وظیفه اصلی خازن‌ها ذخیره انرژی است اما کاربردهای دیگری هم در مدار الکتریکی دارند. می‌توان از آن‌ها به عنوان دستگاه های زمان بندی (چون زمان تقریبی شارژ خازن ها قابل پیش‌بینی است)؛ به عنوان فیلتر (مدار اجاز عبور سیگنال‌های مشخصی را می‌دهد)؛ هموار کردن ولتاژ در مدار، تنظیم رادیو و تلویزیون و اهداف دیگر نیز استفاده کرد.
ظرفیت خازنی چیست؟
میزان انرژی الکتریکی که یک خازن در خود ذخیره میکند، به ظرفیت خازنی آن بستگی دارد. ظرفیت خازنی یک خازن از لحاظی به اندازه یک سطل بستگی دارد؛ هرچه سطل بزرگتر باشد، آب بیشتری در خود نگه می‌دارد؛ هرچقدر ظرفیت خازنی بیشتر باشد، میزان ذخیره انرژی الکتریکی نیز بیشتر خواهد بود. سه راه برای افزایش ظرفیت خازنی وجود دارد:
- اندازه بشقاب ها را بزرگ کنیم؛
- بشقاب ها را به هم نزدیک تر کنیم؛
- تا جایی که امکان دارد از عایق قوی استفاده کنیم.
در ساخت خازن ها از چیزهای مختلفی به عنوان عایق استفاده میشود. در رادیوها، جنس عایق خازن بزرگی که در تنظیم پیچ دریافت موج رادیویی نقش دارد، هوا است. در بیشتر مدارهای الکترونیکی، جنس عایق میان بشقاب ها، سرامیک هایی مانند میکا و شیشه، کاغذ خیسانده شده در روغن یا پلاستیک های مانند میلار است (میلار نوعی پلی‌استر نازک و محکم است).
چطور ظرفیت خازن را اندازه گیری کنیم؟
اندازه خازن ها با واحد فاراد (F) نشان داده می‌شوند که این نام از مایکل فارادی فیزیکدان انگلیسی و پیشگام عرصه الکترونیک گرفته شده است. یک فاراد، ظرفیت خازنی بسیار بزرگی است پس در حقیقت خازن هایی که معمولا از آن ها استفاده می‌کنیم، تنها یک لحظه از یک فاراد هستند؛
انواع واحدهای فاراد را با علائم زیر نشان می دهند:
- میکروفاراد µF – یک میلیونیوم فاراد است؛
- نانوفاراد nF – صد میلونیوم فاراد است؛
- پیکوفاراد pF – یک میلیون میلیونیوم فاراد است.
اَبَرخازن ها میزان بسیار زیادی شارژ نگه میدارند که هزاران فاراد شمرده می‌شوند.
چرا خازن ها انرژی را در خود نگه میدارند؟
شاید برایتان پیش آمده باشد که احساس کنید خازن مقوله‌ی عجیب و مرموزی است که با عقل جور در نمی‌آید، برای بررسی آن جاذبه را در نظر بگیرید. تصور کنید که می‌خواهید از پلکان بالا بروید، نیاز است بدنتان را برخلاف جاذبه زمین (به سمت بالا) بکشید. این اقدام یک انرژی کِشنده است. همانطور که فیزیکدان‌ها میگویند، باید «کار کنید» تا از نردبان بالا بروید (فعالیتی برای مقابله با کشش نیروی جاذبه) و برای این کار انرژی صرف می‌کنید. انرژی مصرفی از بین نمی‌رود بلکه به عنوان انرژی پتانسیل گرانشی در بدنتان ذخیره شده است که با آن انرژی می‌توانید کارهای دیگری انجام دهید (مانند سُر خوردن از حاشیه نردبان برای برگشت به زمین).
فعالیت‌هایی مانند بالا رفتن از پلکان، نردبان یا کوه نیاز به صرف نیرویی دارد که خلاف نیروی جاذبه زمین است. مشابه همین اقدامات نیز در خازن‌ها رخ می‌دهد؛ اگر شارش انرژی مثبت و منفی داشته باشید، این انرژی ها مانند دو قطب آهن‌ربا یکدیگر را جذب می‌کنند یا همانطور که بالاتر اشاره شد مانند کشش نیرو میان بدن شما و زمین.
اگر این انرژی را از هم دور کنید، باید بر خلاف نیروی الکترواستاتیک عمل کنید، درست مانند بالا رفتن از پلکان که انرژی مصرفی شما از بین نمی‌رود اما آنطور که از هم جدا می‌شوند، انرژِی در آن ذخیره میشود. ما به آن انرژِی پتانسیل الکتریکی می‌گوییم و این همان انرژی ذخیره شه در خازن است. دو بشقابِ خازن، نیروهای مخالف هم را در خود نگه میدارند و اگر میان آن‌ها فاصله بیفتد، میدان الکتریکی ایجاد میشود. به همین دلیل است که خازن ها، انرژی الکتریکی را در خود نگه میدارند.
چطور ظرفیت خازن را افزایش دهیم؟
واضح است که اگر از بشقاب‌ها بزرگ‌تری استفاده کنید، می‌توانید انرژی بیشتری در خازن‌ها ذخیره کنید. بنابراین، گسترش محیط بشقاب خازن نیز به افزایش ظرفیت ذخیره انرژی کمک میکند. نکته‌ای که کمتر کسی از آن با خبر است، این است که اگر فاصله میان بشقاب‌ها را کم کنیم، ظرفیت خازن افزایش پیدا میکند. زیرا فاصله نزدیک میان بشقاب‌ها عملکرد آن ها را بهبود می‌بخشد. آخرین چیزی که می‌تواند در افزایش ظرفیت خازنی موثر باشد عایق میان بشقاب‌ها است. هوا، عایق بسیار خوبی است ولی عایق‌های بهتری هم وجود دارد.
تاثیر شیشه 5 برابر بیشتر از هوا است، از این رو در ساخت خازن های مدرن از شیشه استفاده میشود. ولی شیشه سنگین است و به سختی در فضاهای کوچک جا میشود.
تاثیر کاغذ روغنی 4 برابر بیشتر از هوا است، کاغذ روغنی، عایقی بسیار نازک، ارزان قیمت ایت که هم به راحتی لوله میشود و هم می‌توان در ابعاد بزرگ از آن استفاده کرد.
بهترین عایق‌ها از مولکول‌های قطبی ساخته شده‌اند. آب، که از مولکول‌های قطبی بسیار کوچکی تشکیل شده نیز عایق بسیار خوبی است، حدود به 80 برابر بهتر از هوا. ولی در خازن ها استفاده نمی‌شود زیرا ممکن است چکه کند یا تبدیل به یخ یا بخار شود، بنابراین چندان هم کارایی ندارد.
چطور ابرهای خازنی رعد و برق ایجاد می‌کنند؟
زمانی که ابرها در هوا شناورند و به این سو و آن سو می‌روند ذرات یخی درون آن ها با مولکول های هوا سایش داشته و باعث ایجاد جریان الکتریکی ساکن می‌شوند؛ مانند زمانی که یک بادکنک را روی یک پارچه میمالید.
- هنگامی که کوچکترین ذره یخ به آرامی به سمت بالا میرود قسمت بالایی ابر با بار مثبت شارژ میشود.
- ذرات سنگین تر یخ به سمت پایین ابر حرکت کرده و آن قسمت با بار منفی شارژ میشود.
- این جدایی شارژهای مثبت و منفی، ابرها را به نوعی خازن غول‌پیکر درحال حرکت تبدیل میکند! درحالی که ابر در هوا شناور است، بارهای الکتریکی آن بر اجرام زمینی زیر آن تاثیر می‌گذارد. حجم عظیمی از بار منفی پایین ابر سبب میشود که زمین زیر آن با بار مثبت شارژ شود.
- جدایی شارژ میان قسمت پایینی ابر و زمین زیر آن بدین معناست که این بخش از جَو نیز یک خازن است. به تدریج، میزان بسیار زیاد شارش الکتریکی درون ابر ایجاد میشود. اگر این شارش بسیار زیاد باشد، ابر پر از انرژی پتانسیل الکریکی پُر میشود (ولتاژ بسیار بالا میرود). زمانی که ولتاژ به حد معینی (حدود چند صد میلیون ولت) برسد، هوا از عایق به رسانا تبدیل میشود و برق را مانند یک فلز رسانا منتقل میکند و بارقه‌ای از برق را که با اسم رعد و برق میشناسیم، ایجاد میکند.
ابر مانند فلش دوربین عمل میکند؛ میزان زیادی از انرژی الکتریکی در خازن ذخیره میشود و بعد از تخلیه ناگهانی به فلش نور تبدیل میشود.
