خازن چیست؟ | آشنایی با انواع خازن ها، ظرفیت و کاربرد آن‌ها

خازن با قدمتی بیش از ۲۵۰ سال یکی از قدیمی‌ترین قطعات الکترونیکی است که در بسیاری از مدارها و دستگاه‌ها نصب می‌شود. ساختار خازن به گونه‌ای است که قابلیت ذخیره انرژی به صورت بار الکتریکی را داشته و می‌تواند در میان اجزای خود اختلاف الکتریکی ایجاد کند. امروزه خازن‌ها در انواع گوناگونی تولید شده‌اند که کاربردهای متنوعی دارند. قبلا در این باره شما را با چگونگی عملکرد خازن در حسگر کیسه هوای خودروها آشنا کرده‌ایم. برای شناخت انواع خازن‌ ها و کاربردهایشان که موضوع تحقیق کتاب فیزیک پایه یازدهم است، با مطلب پیش رو همراه شوید.

خازن چیست؟

خازن قطعه‌ای الکتریکی غیرفعال است که می‌تواند انرژی و بار الکتریکی را در خود ذخیره کند. به دلیل داشتن چنین ماهیتی از این قطعه برای ایجاد میدان الکتریکی پایدار در دستگاه و مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود.

در ساختمان خازن دو هادی وجود دارد که به آن صفحات خازن می‌گویند. جنس این صفحه‌ها در مدل‌های گوناگون خازن متفاوت است و معمولا به دلیل رسانا بودن آن، از جنس فلزاتی مانند آلومینیوم، روی و نقره است. در بخش میانی این دو صفحه یک لایه‌ی عایق دی‌الکتریک قرار گرفته که به خازن این امکان را می‌دهد که انرژی بیشتری را در خود ذخیره کند. با اتصال این صفحه‌ها به برق در میدان الکتریکی ایجاد شده، این دو هادی هر کدام بار مثبت و دیگری بار منفی را جمع کرده و مانع از فروشکست خازن می‌شوند.

ظرفیت خازن

ظرفیت خازن که با C نشان داده می‌شود، نسبت بار الکتریکی ذخیره شده در خازن (Q) به اختلاف پتانسیل یا ولتاژ دو سر خازن (V) است. فرمول ریاضی این تعریف را در ادامه می‌بینید:

C = Q/V

در این فرمول واحد اندازه‌گیری بار الکتریکی «کولن»، ظرفیت خازن «فاراد» و ولتاژ هم «ولت» است.

معرفی انواع خازن ها

خازن‌ها با توجه به نوع ساختار و کاربرد خود عموما در ۶ گروه طبقه‌بندی می‌شوند:

1. خازن الکترولیتی
2. خازن میکا
3. خازن کاغذی
4. خازن فیلم
5. خازن غیرپلاریزه (غیرقطبی)
6. خازن سرامیکی

۱. خازن الکترولیتی

خازن الکترولیت خازنی با ظرفیت و اندازه بزرگ است. لایه عایق میان دو صفحه خازن طی یک واکنش شیمیایی میان یک الکترولیت رسانا و یکی از صفحه‌های خازن ایجاد می‌شود. لایه‌ای نازک که این ضخامت کم باعث بالا رفتن ظرفیت خازن می‌شود.

خازن‌های الکترولیتی دارای دو قطب مثبت و منفی هستند که در زمان نصب در مدار و دستگاه‌های الکترونیکی باید به جهت قطب‌ها توجه شود. چراکه اگر قطب مثبت در کنار قطب مثبت و منفی در کنار منفی قرار گیرد منجر به شکسته شدن لایه عایق اکسید و در نهایت آسیب دائمی خازن و دستگاه خواهدشد. جهت قطب‌های مثبت، منفی و ظرفیت خازن الکترولیتی هم بر روی آن نوشته شده‌است.

این خازن که در رنج میکروفاراد بوده به دلیل داشتن ظرفیت بالا معمولا در مدارهای منبع تغذیه به عنوان فیلتر DC استفاده می‌شوند. از دیگر کاربردهای این قطعه می‌توان به کوپلینگ و جداسازی اشاره کرد. خازن‌های الکترولیتی به دلیل داشتن قطب‌های مثبت و منفی میزان ولتاژ پایینی دارند.

ظرفیت خازن الکترولیتی: از ۱µF تا ۴۷mF

۲. خازن میکا

خازن میکا خازنی تشکیل شده از لایه‌های میکا، نوعی ماده معدنی طبیعی است. این خازن در دو نوع تولید شده‌است: خازن نقره‌ای و خازن گیره‌ای.

خازن میکا گیره‌ای به دلیل عملکرد بسیار ضعیف از سال‌های گذشته منسوخ شده و کاربردی ندارد. در مقابل خازن نقره‌ای با داشتن دی‌الکتریک و صفحاتی با پوشش فلزی دارای عملکرد مطلوبی است. خازن‌های میکا با ماهیت کریستالی خاص خود از چندین لایه‌ی میکا ساخته شده که همگی در یک قالب اپوکسی قرار گرفته‌اند تا از آسیب‌های محیط بیرونی در امان بمانند. این خازن در اندازه‌ی کوچکی تولید شده که عملکردی پایدار، قابل اعتماد و طول عمر بالایی داشته و می‌تواند در فرکانس‌های بالا استفاده شود.

دو نمونه از رایج‌ترین انواع خازن میکا، ماسکاویت و فلوگوپیت بوده که فلوگوپیت مقاومت بهتری در مقابل گرما و مدل ماسکاویت ویژگی‌های الکتریکی قابل قبولی دارد.

ظرفیت خازن میکا: از ۲۲ پیکوفاراده تا ۴۷۰ پیکوفاراده

۳. خازن کاغذی

در ساختمان خازن کاغذی از یک لایه نازک روغنی یا پلاستیکی در میان دو ورقه نازک فلزی استفاده شده‌است. این قطعات در نهایت به شکل لوله‌ای فرم گرفته و درون یک قاب پلاستیکی قرار می‌گیرند. در گذشته از دی‌الکتریک کاغذی در میان صفحات استفاده می‌شد، اما به دلیل عملکرد ضعیف آن‌ها امروزه از موادی همچون پلاستیک استفاده می‌شود. گفته می‌شود محدوده ظرفیت خازن‌های کاغذی ۰.۰۰۱ تا ۲.۰۰۰ میکروفاراد و ولتاژ بسیار قوی تا ۲۰۰۰ ولت است.

ظرفیت خازن کاغذی: از ۰.۰۰۱ تا ۲µF

۴. خازن فیلم

در ساختمان خازن‌های فیلمی از فیلم پلاستیکی نازکی به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌شود. در فرآیند تولید این خازن، فیلم نازک کشیده شده تا افزایش طول پیدا کند و با توجه به نوع کاربردی که خواهد داشت ممکن است متالیزه یا فلزی شود. در ادامه الکترودهایی به محصول اضافه شده و همگی در یک قالب پوششی قرار می‌گیرند تا از عوامل آسیب‌زای محیط بیرون در امان بمانند.

همانطور که اشاره شد خازن‌ها در فرآیند آماده‌سازی با توجه به کاربرد، دی‌الکتریک متفاوتی خواهند داشت که عبارتند از فیلم پلی‌استر، فیلم متالیزه، فیلم پلی‌استایرن و فیلم PTE. معمولا از خازن‌های فیلم در دستگاه‌هایی که به پایداری مطلوب، اندوکتانس کم با هزینه کم نیاز است، استفاده می‌شود. خازن‌های فیلم PTE به دلیل مقاومت در برابر حرارت در صنعت هوافضا و نظامی کاربرد دارند. خازن‌های فیلم پلی‌استر متالیزه شده هم در شرایطی که به پایداری طولانی در سطح کم نیاز است، استفاده می‌شوند.

ظرفیت خازن فیلم: از ۱nF تا ۳۰µF

۵. خازن غیرپلاریزه

خازن غیرپلاریزه در دو نوع خازن فویل پلاستیکی و خازن غیرقطبی تولید شده‌اند. خازن‌های فویل پلاستیکی خازنی است که قطبیت ثابتی ندارد. خازن‌های الکترولیتی معمولا در این طبقه‌بندی قرار می‌گیرند. خازنی که دارای قطب مثبت و منفی بوده و در مدارهای AC و مدارهای DC استفاده می‌شوند که جهت قرار گیری قطب‌ها باید رعایت شود. ظرفیت این خازن‌ها پایین اما محدوده ولتاژ بسیار بالایی دارند.

۶. خازن سرامیکی

دلیل نام‌گذاری سرامیکی بر روی این خازن، استفاده از دی‌الکتریک تولید شده از مواد سرامیکی است. دو نوع از رایج‌ترین خازن‌های سرامیکی خازن چندلایه و خازن دیسکی سرامیکی است. خازن سرامیکی چند لایه که از فناوری نصب بر روی سطح بهره‌مند است اندازه‌ی کوچکی داشته که باعث گستردگی استفاده از آن‌ها شده‌است. خازن‌های دیسکی سرامیکی از دو دیسک رسانا در دو طرف ساخته شده‌اند که به منظور افزایش ظرفیت خازن از چندین لایه در ساختمان آن استفاده کرده‌اند. این خازن دارای مقاومت و پاسخ‌های فرکانسی بالایی است.

ظرفیت خازن سرامیکی: از ۱nF تا ۱µF

سخن پایانی

همانطور که در این مقاله خواندید، خازن‌ها با توجه به نوع کاربری در انواع متفاوتی تولید شده‌اند که ویژگی‌ها متمایزی دارند. شناخت خازن‌ها موضوع تحقیق کتاب فیزیک پایه یازدهم بوده که در این مقاله تلاش شده، به طور کامل توضیح داده شود. شما همراهان ستاره می‌توانید برای یافتن پاسخ بسیاری از پرسش‌ها و تحقیق‌های سایر کتاب‌های درسی مقاطع مختلف تحصیلی با بخش محتوای کمک درسی سایت همراه شوید.

برگرفته از: Capacitors and Its Uses