انواع خازن
خازن وسیله ای است که می توان انرژی الکتریکی را در آن ذخیره کرد. این مجموعه ای از دو هادی است که معمولاً بارهایی با قدر مساوی و علامت مخالف حمل می کند و توسط یک محیط عایق از هم جدا می شود. منطقه نارسانا می تواند یک عایق الکتریکی یا خلاء مانند شیشه، کاغذ، هوا یا نیمه هادی باشد که دی الکتریک نامیده می شود.
خازن ها از نظر شکل و اندازه متفاوت هستند، آنها کاربردهای مهم زیادی در الکترونیک دارند.
مفاهیم فیزیک مرتبط:
خازن، انواع و ظرفیت
ترکیبی از خازن ها
انرژی ذخیره شده در خازن
ذخیره انرژی پتانسیل الکتریکی مانند باتری.
فیلتر کردن سیگنال های فرکانس ناخواسته
تاخیر در تغییر ولتاژ هنگام جفت شدن با مقاومت ها.
به عنوان یک دستگاه حسگر استفاده می شود.
در سیستم صوتی خودرو استفاده می شود.
برای جداسازی AC و DC استفاده می شود.
خطوط میدان بین دو شارژ
یکی از هادی ها دارای بار مثبت +Q و در پتانسیل +V است. در حالی که دیگری دارای بار منفی برابر، -Q و در پتانسیل -V است.
شارژ روی خازن
نکته: شارژ خازن Q است.
شارژ کل / شارژ خالص خازن -Q + Q = 0 است.
نمادهای مدار
نماد مدار خازن
توزیع شارژ بین خازن ها - درس ویدیویی
توزیع شارژ بین خازن ها
688
ظرفیت
بار خازن (Q) با اختلاف پتانسیل (V) بین صفحات متناسب است.
یا Q = CV
ثابت تناسب (C) به عنوان ظرفیت خازن نامیده می شود.
فرمول بعدی و واحد ظرفیت
واحد ظرفیت: فاراد (F)
مقدار خازن می تواند از کسری پیکو فاراد تا بیش از یک میکرو فاراد متفاوت باشد. سطح ولتاژ می تواند از یک زوج تا چند صد هزار ولت متغیر باشد.
فرمول ابعادی: M-1L-2I2T4
ترازوهای رایج
= 10-6F
nF = 10-9F
pF = 10+2F
عوامل موثر بر ظرفیت خازنی
ظرفیت خازنی به فاکتور زیر بستگی دارد:
شکل و اندازه هادی
بین آنها متوسط
وجود هادی های دیگر در نزدیکی آن.
محاسبه ظرفیت خازنی
ما سعی خواهیم کرد ظرفیت خازن های با شکل های مختلف را محاسبه کنیم، مراحل دنبال می شود.
شارژ هادی ها را فرض کنید (Q)
محاسبه میدان الکتریکی بین صفحات (E)
محاسبه اختلاف پتانسیل از میدان الکتریکی (V)
رابطه را اعمال کنید،
انواع خازن
خازن صفحه موازی
خازن کروی
خازن استوانه ای
خازن صفحه موازی
خازن صفحه موازی از دو صفحه فلزی Area، A تشکیل شده و با فاصله d از هم جدا می شود. به صفحه بالا شارژ +Q و به صفحه پایین شارژ -Q داده می شود. اختلاف پتانسیل V بین صفحات ایجاد می شود.
جداسازی در مقایسه با ابعاد صفحه بسیار کوچک است به طوری که می توان از اثر خمش به سمت بیرون خطوط میدان الکتریکی در لبه ها و عدم یکنواختی چگالی بار سطحی در لبه ها چشم پوشی کرد.
خازن صفحه موازی
چگالی بار در هر صفحه خازن صفحه موازی دارای قدر σ است
σ = Q/A
از قانون گاوس، E = Q/ε0A
همچنین E = V/d
اکنون به دلیل بارهای سطحی، خارج از خازن میدان،
این نتایج برای خلاء بین صفحات خازن معتبر است. برای سایر رسانه ها، ظرفیت خازن خواهد بود
، جایی که k ثابت دی الکتریک محیط است،
اگر بین صفحات خلاء وجود داشته باشد k=1.
خازن صفحه موازی – درس تصویری
خازن صفحه موازی
1194
خازن کروی
بیایید یک خازن کروی را در نظر بگیریم که از دو پوسته کروی متحدالمرکز تشکیل شده است. فرض کنید شعاع کره داخلی، Rin = a و شعاع کره بیرونی، Rout = b. به پوسته داخلی بار مثبت +Q و به پوسته بیرونی –Q داده می شود.
تفاوت پتانسیل،
خازن کروی
فراد
خازن استوانه ای
یک استوانه جامد با شعاع a که توسط یک پوسته استوانه ای احاطه شده است، b. طول استوانه l است و برای جلوگیری از اثرات لبه بسیار بزرگتر از a-b است. خازن به گونه ای شارژ می شود که شارژ سیلندر داخلی +Q و سیلندر بیرونی –Q باشد.
از قانون گاوس،
جایی که λ = Q/l، چگالی بار خطی
خازن استوانه ای
اختلاف پتانسیل خازن استوانه ای به صورت زیر بدست می آید:
جایی که مسیر ادغام را در راستای خطوط میدان الکتریکی انتخاب کرده ایم. همانطور که انتظار می رود، هادی بیرونی با بار منفی پتانسیل کمتری دارد. که می دهد
یک بار دیگر می بینیم که ظرفیت C فقط به L، a و b هندسی بستگی دارد.
خازن استوانه ای
خازن استوانه ای
مشکلات خازن و خازن
مسئله 1: ظرفیت یک کره رسانا به شعاع R را پیدا کنید.
Sol: اجازه دهید بار Q به کره داده شود. میدان خارج از کره در فاصله r E = است
مشکل 2: یک خازن هوا صفحه موازی با استفاده از دو صفحه 0.2 متر مربع، با فاصله 1 سانتی متر از یکدیگر ساخته می شود. به باتری 50 ولت وصل می شود.
ظرفیت چقدر است؟
چا چیستrge در هر بشقاب؟
میدان الکتریکی بین دو صفحه چقدر است؟
اگر باتری قطع شود و سپس صفحات به فاصله 2 سانتی متر از هم جدا شوند، پاسخ قسمت های بالا چیست؟
سول:
= 35.4 x 10-12 F
اگر باتری قطع شود، شارژ صفحات خازن ثابت می ماند در حالی که اختلاف پتانسیل بین صفحات می تواند تغییر کند.
⇒
⇒
∴
∴
مشکل 3: یک هادی صفحه موازی متصل به باتری با مساحت صفحه 3.0 سانتی متر مربع و جداسازی صفحه 3 میلی متر است اگر شارژ ذخیره شده روی صفحه 4.0 عدد باشد. ولتاژ باتری را محاسبه کنید؟
سول:
مساحت A = 3.0 سانتی متر مربع = 3.0 × 10-4 متر مربع
Ca = 8.85 × 10-13
V = 4.52 V
دی الکتریک و ظرفیت خازنی
دی الکتریک چیست؟
دی الکتریک ها
این یک ماده عایق (غیر رسانا) است که الکترون آزاد ندارد. اما یک جابجایی میکروسکوپی بارها در حضور میدان الکتریکی مشاهده می شود. مشخص شده است که با پر شدن فضای بین صفحات رسانا با دی الکتریک، ظرفیت خازن افزایش می یابد.
دی الکتریک های قطبی و غیر قطبی
هر اتم از یک هسته با بار مثبت ساخته شده است که توسط الکترون احاطه شده است. اگر مرکز الکترون های دارای بار منفی با مرکز هسته منطبق نباشد، یک دوقطبی دائمی (جداسازی بارها در یک فاصله) گشتاور تشکیل می شود. به این گونه مولکول ها مولکول های قطبی می گویند. اگر یک دی الکتریک قطبی در یک میدان الکتریکی قرار گیرد، دوقطبی های منفرد یک گشتاور را تجربه می کنند و سعی می کنند در امتداد میدان تراز شوند.
در مولکول های غیر قطبی، مراکز توزیع بار مثبت و منفی بر هم منطبق هستند. هیچ لحظه دوقطبی دائمی ایجاد نشده است. اما در حضور میدان الکتریکی، مراکز کمی جابجا می شوند. به این ممان دوقطبی القایی می گویند.
دی الکتریک های قطبی و غیر قطبی
پلاریزاسیون دال دی الکتریک
این فرآیند القای بارهای روی دی الکتریک و ایجاد یک گشتاور دوقطبی است. گشتاور دوقطبی در هر حجمی از دی الکتریک ظاهر می شود. بردار پلاریزاسیون
به عنوان گشتاور دوقطبی در واحد حجم تعریف می شود.
پلاریزاسیون دی الکتریک ها
مولکول های قطبی شده
ثابت دی الکتریک
اجازه دهید
میدان الکتریکی ناشی از منابع خارجی و
میدان به دلیل قطبش (القایی) باشد. میدان حاصل است
.
میدان الکتریکی القایی در جهت مخالف میدان اعمال شده است. اما میدان حاصل در جهت میدان اعمال شده با قدر کاهش یافته است.
K ثابت دی الکتریک یا گذردهی نسبی دی الکتریک نامیده می شود. برای خلاء،
= 0، K = 1. همچنین با ε نشان داده می شود
اثر دی الکتریک در ظرفیت خازنی
اسلب دی الکتریک در سری
یک خازن صفحه موازی شامل دو صفحه دی الکتریک به ضخامت d1، d2 و ثابت دی الکتریک k1 و k2 است. مساحت صفحات خازن و صفحات خازن برابر با A است.
صفحات دی الکتریک به صورت سری
با در نظر گرفتن خازن به صورت ترکیبی از دو خازن سری، ظرفیت معادل C به صورت زیر بدست می آید:
صفحات دی الکتریک به صورت موازی
صفحات دی الکتریک به صورت موازی
یک خازن با دو صفحه دی الکتریک با ضخامت یکسان d در داخل آن مانند شکل در نظر بگیرید. دال ها به ترتیب دارای ثابت دی الکتریک k1 و k2 و مناطق A1 و A2 هستند. در نظر گرفتن ترکیب به عنوان دو خازن به صورت موازی،
C = C1 + C2
C =
دی الکتریک و وکیوم
اگر یک دال دی الکتریک به ضخامت t در داخل خازنی که صفحات آن با فاصله d از هم جدا شده اند خارج شود، ظرفیت معادل به صورت زیر داده می شود:
ظرفیت معادل با تغییر فاصله دال از صفحات موازی تحت تأثیر قرار نمی گیرد. اگر دال فلزی باشد، ظرفیت معادل عبارت است از:
مشکلات در ظرفیت و دی الکتریک
مشکل 1: سه خازن هر کدام 10μF مطابق شکل وصل شده اند. دو مورد از آنها اکنون با دی الکتریک با K = 2، K = 2.5 همانطور که نشان داده شده است پر شده است. ظرفیت معادل را پیدا کنید.
خازن ها - مسئله 1
پس از وارد کردن دی الکتریک،
C1 = 10μF; C2 = KC0 = 2 x 10 = 20μF; C3 = KC0 = 2.5 x 10 = 25 μF
∴
مسئله 2: ظرفیت معادل سیستم نشان داده شده را بیابید (صفحات مربع را فرض کنید).
خازن ها - مسئله 2
در نظر گرفتن K1 = 2 به عنوان سری در K2 = 3
اکنون
⇒
حالا Cleft و Cright به موازات هم هستند
مسئله 3: ظرفیت موثر متصل به صورت سری و موازی را محاسبه کنید؟ و خازن های متصل به باتری 40 ولت. ولتاژ خازن ها را برای هر نوع اتصال محاسبه کنید.
داده شده
C1 = 12 F
C2 = 6 F
راه حل:
هنگامی که خازن ها به صورت سری متصل می شوند
C = 4 F
Q = CV
Q = 4 × 40
Q = 160 C
برای خازن 12 F:
V = 13.33 ولت
برای خازن 6F:
V = 26.66 ولت
هنگامی که خازن ها به صورت موازی متصل می شوند
C = C1 + C2
C = 12 + 6
C = 18 F
ولتاژ برابر با 40 ولت در هر خازن است.