مقدمه
هرگاه یک ولتاژ الکتریکی بین دو هادی جدا شده وجود داشته باشد، یک میدان الکتریکی در فضای بین آن هادی ها وجود دارد. در الکترونیک پایه، ما برهمکنش‌های ولتاژ، جریان و مقاومت را به عنوان مدارهایی که مسیرهای رسانایی هستند که الکترون‌ها ممکن است از طریق آن حرکت کنند، مطالعه می‌کنیم. با این حال، وقتی در مورد زمینه ها صحبت می کنیم، با تعاملاتی سروکار داریم که می توانند در فضای خالی پخش شوند.
مسلماً، مفهوم “میدان” تا حدودی انتزاعی است. حداقل با جریان الکتریکی، تصور ذرات کوچکی به نام الکترون که در مسیر خود بین هسته‌های اتم‌های یک رسانا حرکت می‌کنند چندان دشوار نیست، اما یک “میدان” حتی جرم ندارد و اصلاً لازم نیست در ماده وجود داشته باشد. .
خازن چیست و کاربرد آن
علیرغم ماهیت انتزاعی آن، تقریباً هر یک از ما تجربه مستقیمی با میدان ها، حداقل به شکل آهنربا داریم. آیا تا به حال با یک جفت آهنربا بازی کرده اید و متوجه شده اید که بسته به جهت گیری نسبی آنها چگونه یکدیگر را جذب یا دفع می کنند؟ بین یک جفت آهنربا نیروی غیرقابل انکاری وجود دارد و این نیرو بدون «ماده» است. هیچ جرم، رنگ، بویی ندارد و اگر نیروی فیزیکی وارد بر خود آهنرباها نبود، برای بدن ما کاملاً نامحسوس بود. فیزیکدانان برهمکنش آهنرباها را بر حسب میدان های مغناطیسی در فضای بین آنها توصیف می کنند. اگر براده های آهن در نزدیکی آهنربا قرار گیرند، خود را در امتداد خطوط میدان قرار می دهند و به صورت بصری حضور آن را نشان می دهند.
میدان های الکتریکی
موضوع این فصل میدان های الکتریکی (و دستگاه هایی به نام خازن که از آنها بهره برداری می کنند) است، نه میدان های مغناطیسی، اما شباهت های زیادی دارد. به احتمال زیاد شما میدان های الکتریکی را نیز تجربه کرده اید. فصل 1 این کتاب با توضیح الکتریسیته ساکن آغاز شد، و اینکه چگونه موادی مانند موم و پشم – هنگامی که به یکدیگر مالیده می‌شوند – جاذبه فیزیکی ایجاد می‌کنند. باز هم، فیزیکدانان این برهمکنش را بر حسب میدان های الکتریکی تولید شده توسط دو جسم در نتیجه عدم تعادل الکترونی آنها توصیف می کنند. کافی است بگوییم که هرگاه ولتاژی بین دو نقطه وجود داشته باشد، میدان الکتریکی در فضای بین آن نقاط آشکار خواهد شد.
نیروی میدانی و شار میدانی
میدان ها دو معیار دارند: نیروی میدان و شار میدان. نیروی میدان مقدار فشاری است که یک میدان در یک فاصله معین اعمال می کند. شار میدان مقدار کل یا اثر میدان در فضا است. نیروی میدان و شار تقریباً مشابه ولتاژ (“فشار”) و جریان (جریان) از طریق یک رسانا هستند، اگرچه شار میدان می تواند در فضای کاملاً خالی (بدون حرکت ذرات مانند الکترون ها) وجود داشته باشد در حالی که جریان فقط می تواند وجود داشته باشد. جایی که الکترون های آزاد برای حرکت وجود دارد. شار میدانی می تواند در فضا مخالف باشد، همانطور که جریان الکترون ها را می توان با مقاومت مخالفت کرد. مقدار شار میدانی که در فضا ایجاد می‌شود، متناسب با مقدار نیروی میدان اعمال‌شده است، تقسیم بر مقدار مخالفت با شار. همانطور که نوع ماده رسانا مقاومت ویژه هادی در برابر جریان الکتریکی را تعیین می کند، نوع ماده عایق که دو رسانا را از هم جدا می کند، مخالفت خاص را با شار میدان دیکته می کند.
به طور معمول، الکترون‌ها نمی‌توانند وارد یک رسانا شوند، مگر اینکه مسیری برای خروج مقدار مساوی از الکترون‌ها وجود داشته باشد. به همین دلیل است که هادی ها باید در یک مسیر دایره ای (مدار) به هم متصل شوند تا جریان پیوسته ایجاد شود. با این حال، به اندازه کافی عجیب، اگر میدان الکتریکی نسبت به رسانای دیگری در فضا ایجاد شود، می‌توان الکترون‌های اضافی را بدون مسیری برای خروج به یک رسانا فشرده کرد. تعداد الکترون‌های آزاد اضافی که به هادی اضافه می‌شوند (یا الکترون‌های آزاد حذف شده) مستقیماً با مقدار شار میدان بین دو رسانا متناسب است.
میدان الکتریکی خازن ها
خازن ها اجزایی هستند که برای استفاده از این پدیده با قرار دادن دو صفحه رسانا (معمولاً فلزی) در مجاورت یکدیگر طراحی شده اند. سبک های مختلفی از ساخت خازن وجود دارد که هر کدام برای رتبه بندی و اهداف خاصی مناسب هستند. برای خازن های بسیار کوچک، دو صفحه دایره ای که یک ماده عایق را ساندویچ می کنند، کافی است. برای مقادیر خازن بزرگتر، «صفحات» ممکن است نوارهایی از فویل فلزی باشند که در اطراف یک محیط عایق انعطاف‌پذیر قرار گرفته و برای فشردگی پیچیده شده‌اند. بالاترین مقادیر خازنی با استفاده از یک لایه اکسید عایق با ضخامت میکروسکوپی که دو سطح رسانا را جدا می کند، به دست می آید. در هر صورت، ایده کلی یکسان است: دو هادی که توسط یک عایق از هم جدا شده اند.
نماد شماتیک برای خازن بسیار ساده است و کمی بیشتر از دو خط کوتاه و موازی (نماینده صفحات) است که با یک شکاف از هم جدا شده اند. سیم ها برای اتصال به سایر اجزا به صفحات مربوطه متصل می شوند. نماد شماتیک قدیمی‌تر و منسوخ برای خازن‌ها صفحاتی را نشان می‌دهد که در واقع روش دقیق‌تری برای نمایش ساختار واقعی بیشتر خازن‌ها است:
نمادهای خازن
دبلیو
هنگامی که یک ولتاژ در دو صفحه یک خازن اعمال می شود، یک شار میدان متمرکز بین آنها ایجاد می شود که اجازه می دهد تفاوت قابل توجهی از الکترون های آزاد (یک بار) بین دو صفحه ایجاد شود:
کمبود الکترون
همانطور که میدان الکتریکی توسط ولتاژ اعمال شده ایجاد می شود، الکترون های آزاد اضافی مجبور می شوند روی هادی منفی جمع شوند، در حالی که الکترون های آزاد از هادی مثبت “دزدیده می شوند”. این بار دیفرانسیل معادل ذخیره انرژی در خازن است که نشان دهنده بار پتانسیل الکترون های بین دو صفحه است. هر چه اختلاف الکترون ها در صفحات مخالف خازن بیشتر باشد، شار میدان بیشتر است و خازن “بار” انرژی بیشتری ذخیره می کند.
از آنجایی که خازن‌ها انرژی پتانسیل الکترون‌های انباشته‌شده را به شکل میدان الکتریکی ذخیره می‌کنند، رفتار کاملاً متفاوتی با مقاومت‌ها (که صرفاً انرژی را به شکل گرما تلف می‌کنند) در یک مدار دارند. ذخیره انرژی در خازن تابعی از ولتاژ بین صفحات و همچنین عوامل دیگری است که در ادامه این فصل به آنها خواهیم پرداخت. توانایی یک خازن برای ذخیره انرژی به عنوان تابعی از ولتاژ (تفاوت پتانسیل بین دو لید) منجر به تمایل به تلاش برای حفظ ولتاژ در یک سطح ثابت می شود. به عبارت دیگر، خازن ها تمایل به مقاومت در برابر تغییرات ولتاژ دارند. هنگامی که ولتاژ دو سوی خازن افزایش یا کاهش می یابد، خازن با کشیدن جریان از منبع تغییر ولتاژ یا تامین جریان به منبع تغییر ولتاژ، در مقابل تغییر مقاومت می کند.
برای ذخیره انرژی بیشتر در خازن، باید ولتاژ دو طرف آن را افزایش داد. این بدان معنی است که الکترون های بیشتری باید به صفحه (-) اضافه شود و تعداد بیشتری از صفحه (+) برداشته شود و نیاز به جریان در آن جهت باشد. برعکس، برای آزاد کردن انرژی از یک خازن، ولتاژ دو طرف آن باید کاهش یابد. این بدان معناست که برخی از الکترون‌های اضافی روی صفحه (-) باید به صفحه (+) برگردانده شوند و نیاز به جریان در جهت دیگر است.
همانطور که قانون اول حرکت اسحاق نیوتن (“یک جسم در حرکت تمایل دارد در حرکت بماند، یک جسم در حال سکون تمایل دارد در حالت سکون بماند”) تمایل یک جرم را برای مخالفت با تغییرات سرعت توصیف می کند، می توانیم تمایل خازن را به مخالفت با تغییرات ولتاژ به این صورت: «خازن شارژ شده تمایل دارد شارژ بماند. یک خازن تخلیه شده تمایل دارد که دشارژ بماند. به طور فرضی، خازن دست نخورده باقی می ماند، به طور نامحدودی هر حالتی از بار ولتاژی که در آن باقی مانده است را حفظ می کند. فقط یک منبع خارجی (یا تخلیه) جریان می تواند شارژ ولتاژ ذخیره شده توسط یک خازن کامل را تغییر دهد:
ولتاژ ثابت با مدار باز خازن
با این حال، در عمل، خازن ها در نهایت بارهای ولتاژ ذخیره شده خود را به دلیل مسیرهای نشتی داخلی برای جریان الکترون ها از یک صفحه به صفحه دیگر از دست می دهند. بسته به نوع خاصی از خازن، مدت زمانی که طول می کشد تا یک شارژ ولتاژ ذخیره شده به خودی خود از بین برود، می تواند زمان زیادی باشد (چند سال در حالی که خازن در یک قفسه نشسته است!).
هنگامی که ولتاژ دو طرف خازن افزایش می یابد، جریان را از بقیه مدار می گیرد و به عنوان بار قدرت عمل می کند. در این شرایط گفته می شود که خازن در حال شارژ شدن است، زیرا مقدار فزاینده ای انرژی در میدان الکتریکی آن ذخیره می شود. به جهت جریان الکترون با توجه به قطبیت ولتاژ توجه کنید:
انرژی جذب شده توسط خازن
برعکس، هنگامی که ولتاژ دو طرف خازن کاهش می یابد، خازن جریان را به بقیه مدار می رساند و به عنوان منبع تغذیه عمل می کند. در این شرایط گفته می شود که خازن در حال تخلیه است. ذخیره انرژی آن – که در میدان الکتریکی نگهداری می شود – اکنون با آزاد شدن انرژی به بقیه مدار کاهش می یابد. به جهت جریان با توجه به قطبیت ولتاژ توجه کنید:
خازن به عنوان منبع
اگر یک منبع ولتاژ به طور ناگهانی به یک خازن شارژ نشده اعمال شود (افزایش ناگهانی ولتاژ)، خازن جریان را از آن منبع می گیرد و انرژی را از آن جذب می کند تا زمانی که ولتاژ خازن با ولتاژ منبع برابر شود. هنگامی که ولتاژ خازن به این حالت نهایی (شارژ) می رسد، جریان آن به صفر می رسد. برعکس، اگر مقاومت بار به یک خازن شارژ شده متصل شود، خازن جریان را به بار می رساند تا زمانی که تمام انرژی ذخیره شده خود را آزاد کند و ولتاژ آن به صفر برسد. هنگامی که ولتاژ خازن به این حالت نهایی (دشارژ) می رسد، جریان آن به صفر می رسد. خازن‌ها از نظر توانایی شارژ و دشارژ شدن، می‌توانند تا حدودی مانند باتری‌های سلول ثانویه عمل کنند.
انتخاب ماده عایق بین صفحات، همانطور که قبلا ذکر شد، تاثیر زیادی بر میزان شار میدانی (و بنابراین میزان بار) با هر مقدار معین ولتاژ اعمال شده در صفحات دارد. به دلیل نقش این ماده عایق در تأثیر شار میدان، نام خاصی دارد: دی الکتریک. همه مواد دی الکتریک برابر نیستند: میزانی که مواد تشکیل میدان الکتریکی را مهار یا تشویق می کنند
