دانلود تحقیق خازن

خازن‌ برداشته شده از Wiki pedia دایره المعارف رایگان : خازن ابزاری است که انرژی در میدان الکتریکی دو هادی که دارای بار یکسان ولی مخالف هستند بوجود می آید ذخیره می کند .

خازن را گهگاه بنام اصطلاح قبلی آن که کندانسور است می خوانند .

1 تاریخ در حدود 600BC قبل از میلاد ثبت شد که یک یونانی باستانی بوسیله ساچمه توپ های کهربا بر روی محور جرقه تولید کند .

این نتیجه ایجاد برق در اثر اصطکاک مالشی است.

جداسازی مکانیکی بار در دی الکتریک این نتیجه اساس کار خازن است .

در اکتبر 1745 Ewald Georg vonkleist اهل ژپومرانیا اولین خازن ثبت شده را اختراع کرد : یک لیوان دهن گشاد که درون و بیرون آن به وسیله فنر پوشانده شده است .

پوشش بیرونی به میله أی که از وسط دریچه عبور می کرد و به کره ختم می شد متصل بود.

Von kleist به طور نمایش و به وسیله لایه بندی جسم عایق بین دو صفحه فلزی چگالی بار را افزایش داد.

قبل از اینکه کشف kleist بطور گسترده مشهور شود یک فیزیکدان هلندی به نام مستقلانه یک خازن مشابه را کشف کرده بود که در ژانویه سال 1747 آن خازن را به نام بطری لید نامید.

این نام گذاری به یادبود دانشگاه لیدن که Van Musschenbroek در آن کار می کرد انجام شد.

Benjamin Franklin در مورد بطری لید به تحقیق پرداخت و بار ذخیره شونده در لیوان (نه در آب) را بهبود داد.

در آغاز کار واحد ظرفیت "jars" (دقه زدن ، ضربه زدن) یک jar معادل 1 nF است .

به زودی لغت خازن همانند کندانسور مشهور شد.

تا مدتی که هنوز گهگاه امروزه استفاده می شود که این لغت از لغت ولتا در 1782 (که از لغت condensatione استنتاج می شود) مسکوک شده است که به ابزاری که توانایی ذخیره چگالی بالای بار الکتریکی نسبه به القاگر عایق شده معمولی را دارد اشاره دارد.

بیشتر مردم بجز انگلیسی ها هنوز از نغت استنتاج شده از Condensatone استفاده می کردند مانند فرانسوی ها condensateur و آلمانی ها Kondensator 2 فیزیک : 1 بازنگری : خازن شامل دو صفحه با الکترود می شود که هر یک از انها بار مخالفی را ذخیره می کند.

این دو صفحه هادی هستند و همچنین به وسیله یک نارسانا یا یک دی الکتریک از هم جدا شده اند بر روی سطح صفحات در مرز به وسیله أی الکتریک با ذخیره شده است.

زیرا هر صفحه بار مساوی اما مختلف العلام در خود ذخیره می کند.

کل بار خازن همیشه صفر است .

2 ظرفیت ظرفیت خازن (C) با مقدار ( Q) ذخیره شده در هر صفحه بر اختلاف پتانسیل با ولتاژ (V) معین که بین دو صفحه به نظر می رسد اندازه گیری می شود.

در واحد SI یک خازن ظرفیت برابر یک فاراد دارد هنگامی که یک کولمب بار باعث اختلاف پتانسیل 1 ولت بین دو صفحه می شود چون یک فاراد یک واحد بزرگ است .

ارزش خازن ها با میکرو فاراد و نانوفاراد بیان می شود.

ظرفیت با سطح صفحه رسانا رابطه مستقیم و با فاصله صفحات رابطه معکوس دارد.

و همچنین با ثابت دی الکتریک نیز متناسب است ( که هیچ رسانایی ندارد) جسمی که دو صفحه را جدا می کند.

ظرفیت صفحه های موازی خازن بدست می آید با : که ثابت دی الکتریک و A سطح صفحات خازن و d فاصله آنهاست.

3 ذخیره انرژی هنگامی که بارهای مخالف بر روی سطوح خازن ناشی از جداسازی بارها انباشته می شود ولتاژ سراسر خازن به علت میدان الکتریکی این بارها افزایش می یابد .

هر افزایش بایستی بر خلاف افزایش الکتریکی هنگامی که بار بیشتری جدا می شود انجام می شود.

انرژی ( اندازه گیری می شود با ژول در SI ) ذخیره شده در خازن برابر است با میزان کار در مورد نیاز برای انتشار ولتاژ در سراسر خازن متعاقباً میدان الکتریکی انرژی ذخیره شده به صورت زیر بدست می آید .

که V ولتاژ سراسر خازن است 3 در مدارهای الکتریکی 1 در مدار های DC الکترون ها مستقیماً نمی توانند سراسر دی الکتریک را از یک صفحه به صفحه دیگر بگذرند.

هنگامی که جریانی در خازن وجود دارد الکترون ها در روی یک صفحه انباشته شده و از صفحه دیگر انتقال می یابند.

این فرآیند عرفاً " charging" خازن نامیده می شود ولو اینکه خازن در همه اوقات از نظر الکتریکی خنثی باشد.

در حقیقت جریان درون خازن باعث جداسازی سریعتر از انباشتگی بار الکتریکی می شود این جداسازی با رعایت گسترش میدان الکتریکی بین صفحات خازن ناشی از ولتاژ سراسر صفحات می شود این ولتاژ V نسبت مستقیم با مقدار بار جدا شده دارد.

اما Q فقط تابع اولیه زمان جریان I درون خازن است.

توضیح اینکه ریاضی بدین گونه است که I جریان گذرنده در جهت متداول است و با آمپر اندازه گیری می شود.

مشتق ولتاژ نسبت به زمان است که با ثانیه/ ولت اندازه گیری می شود.

C ظرفیت خازن بر حسب فاراد است .

برای مدارهایی با منبع ولتاژ پایدار DC ولتاژ سراسر خازن نمی تواند از ولتاژ منبع تجاوز کند بدین گونه یک موازنه بدست می آید که ولتاژ سراسر خازن ثابت و جریان درون خازن صفر است برای این استدلال این معمول است که بگوییم خازن ها جریان DC را بند می آورند.

2 در مدار های AC جریان خازن ناشی از ولتاژ و یا بر عکس جهت جریان منبع متناوب است.

این جریان AC متناوباً ضخامت را باردار می کند ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر .

با استثناء قائل شدن لحظه أی که جریان عوض می شود جریان خازن هیچ گاه در یک حوزه صفر نمی شود با این نتیجه می توان عرفاً گفت که خازن جریان AC را رد می کند هر چند هیچ موقع واقعاً بین صفحات را قطع نمی کنند (از صفحات عبور نمی کنند) .

می توان نشان داد ولتاژ سراسر خازن مربع جریان AC درون خازن است این بدین معنی است ولتاژ جریان به اندازه یک چهارم دوره تناوب با هم اختلاف فاز دارند.

دامنه ولتاژ به دامنه جریان تقسیم شونده به وسیله ضرب فرکانس جریان با ظرفیت C وابسته است .

نسبت دامنه ولتاژ به دامنه جریان راکتانس نامیده می شود.

ظرفیت راکتانس به صورت زیر بدست می آید w = فرکانس زاویه که با رادیان بر ثانیه اندازه گیری می شود.

xc = ظرفیت راکتانس که با اهم اندازه گیری می شود.

f = فرکانس AC در هرتز است.

c = ظرفیت در فاراد است و همانند مقاومت یک مقاومت راکتانسی که واقعاً با فرکانس رابطه دارد این بدین معنی است که برای فرکانس بالا جریان متناوب راکتانس به صفر میل می کند.

بنابراین خازن به اتصال کوتاه نزدیک می شود بطور معکوس برای فرکانس خیلی بالای منبع AC در فرکانس خیلی پایین جریان متناوب راکتانس بدون محدودیت بزرگ می شود.

بنابراین خازن در فرکانس خیلی پایین منبع AC به مدار نزدیک می شود .

رامتانس یک اصطلاح است زیرا خازن نیرو را از هم نمی پاشد بلکه فقط انرژی را ذخیره می کند در مکانیسم مدارهای الکتریکی دو نوع بار وجود دارد.

بارهای مقاومتی و ایقای بارهای مقاومتی (مانند شی روی یک سطح زبر لغزش پیدا می کنند) انرژی را پراکنده کرده و وارد می کنند سرانجام بوسیله انتشار امواج الکترومغناطیسی (دیدن تابش جسم سیاه) هنگامی که بارهای ایقایی پر می شوند (مانند فنر یا حرکت شی بی اصطکاک) انرژی را حفظ می کنند.

امپدانس خازن به صورت زیر بدست می آید از این رو ظرفیت راکتانس مولفه منفی موهومی ظاهری است.

علامت منفی نشان می دهد که جریان ولتاژ را با اختلاف فاز ْ90 برای سیگنال سینوسی هدایت می کند برخلاف القاگر که جریان را با تاخیر ْ90 ولتاژ هدایت می کند.

همچنین قابل توجه است که مقاومت ظاهری (امپدانس) با ظرفیت رابطه عکس دارد بر خلاف مقاومت و القاگر که با مقاومت ظاهری رابطه خطی دارند و این از اینروست که سری ها و فرمول شنت مقاومت ظاهری (که در بالا داده شده است) با مقاومت رابطه عکس دارد در سری ها امپدانس و در شنت ها قابلیت هدایت حساب می شود.

در یک مدار میزان شده مانند دریافت کننده رادیو فرکانس منتخب از یک تابع القاگری و ظرفیت در سری ها است که به صورت زیر می باشد : این فرکانس است که با تشدیدها در مدارهای RLC اتفاق می افتد.

برای خازن ایده آل جریان خازن با میزان زمان تغییر ولتاژ سراسر خازن هایی که تناسب پایدار ظرفیت است متناسب است مقاومت ظاهری در حوزه فرکانسی می تواند به صورت زیر نوشته شود.

این نشان می دهد که خازن دارای مقاومت ظاهری بالا در برابر سیگنال های کوتاه فرکانس (هنگامی که w کوچک باشد) و مقاومت ظاهری کوچک در برابر فرکانس بالا ( وقتی w زیاد باشد) این فرکانس برای حساب حرکت برای استفاده بیشتر خازن بستگی دارد (قسمت کاربرد را ببینید).

وقتی از معادله لاپلاس در آنالیز مدار استفاده می کنیم مقاومت ظاهری در حوزه s به صورت نمایش داده می شود.

3ـ خازن و جابجایی جریان : فیزیک دانی بنام James Clerk Maxwell مفهوم کلی جریان جابجایی را بیان نمود.

برای ایجاد جریان با پایداری کم برای نگهداری بار در حالتی که بار به عنوان مثال در یک ذخیره شده است.

اولین موضوع را مانند حرکت واقعی بار تفسیر نمود حتی در خلاء که در این حالت او فرض کرد که این با اثر بارهای دو قطبی بر هم مطابقت دارد اگر چه این تفسیر حالا یک متروک است Maxwell آنرا با آثار نفوذ کم آمپرها تصحیح کرد جریان جابجایی باید مشمول می شد.

به عنوان مثال برای جریان کیرشف قابلیت اجرایی کمتر در درون خازن خواهد داشت (e.g برای فقط یکی از صفحات) 4 ـ شبکه های خازنی : خازن برای مسدود کردن جریان DC گذرنده درون مدار می تواند استفاده شود و به نتیجه آن ابزار مهمی در جفت شدگی سیگنال های AC درون طبقات آمپلی فایر داریم در مدتی که از عبور AC ممانعت می شود.

ـ آرایش سری و موازی خازن ها در آرایش موازی هر کدام دارای اختلاف پتانسیل یکسان (ولتاژ) هستند و برای پیدا کردن ظرفیت معادل آنها داریم جریان گذرنده ها از خازن ها در حالت سری برابر است .

اما ولتاژ دو سر خازنها می تواند متفاوت باشد مجموع اختلاف پتانسیل ها برابر ولتاژ کل می باشد برای پیدا کردن ظرفیت معادل آنها داریم یک دلیل اتصال خازن به صورت سری برای زیاد کردن توان کل ولتاژ است در عمل یک مقاومت با یک مقاومت بسیار بالا می تواند در دو سر هر خازن برای تقسیم ولتاژ کلی به طور مناسب برای توان های تکی وصل شود.

3 ـ دوگانی خازن و القاگر در ضوابط ریاضی خازن ایده آل می تواند مانند عکس القاگر ایده آل مطرح شود.

زیر معادلات ولتاژ ـ جریان هر دو ابزار می توانند به دیگری مبدل شوند بوسیله معادله ولتاژ و جریان ضابطه ها فقط مانند دو یا تعداد بیشتری القاگر که می توانند با قوه مغناطیسی جفت شوند تا یک مبدل بسازند و دو یا تعداد بیشتری هادی های جریان دار می توانند با الکتریسیته ساکن جفت شوند تا یک خازن بسازند.

ظرفیت متقابل دو هادی با استفاده از جریان گذرنده هنگامی که ولتاژ دو سر دیگری با واحد ولتاژ در واحد زمان تغییر می کند تعریف می شود .

4 ـ کاربردها خازن استفاده های بیشماری در الکترونیک و سیستم های الکتریکی دارد.

1 ـ ذخیره انرژی : خازن می تواند انرژی الکتریکی را هنگامی که از مدار شارژ کننده اش جدا می سازد ذخیره کند بنابراین می تواند مانند یک باتری موقت استفاده شود .

2 ـ پردازش سیگنال : در مدارهای AC یا سیگنالی ، خازن اختلاف فاز 90 درجه را عمل می کند جریان ولتاژ زاویه فاز را هدایت می کند .

انرژی ذخیره شده در خازن می تواند برای نمایش دادن اطلاعات استفاده شود مثلاً در کامپیوتر و در مدارهای خازنی انتخاب شده و دسته منحنی پیوند خطوط تاخیر خازن می تواند در مدارهای آنالوگ به عنوان مولفه آنترال گیر و یا بیشتر صافی های مرکب و در تثبیت کردن حلقه های منفی بازخوردی (Feed back) .

مدارهای پردازش سیگنال همچنین خازنها را برای جمع کردن سیگنال جریان بکار می گیرند.

3 ـ کاربرد به عنوان منبع تغذیه : بطور کلی خازن ها به عنوان منابع تغذیه که انرژی خروجی کل یا نصف موج یکسو کننده را هموار می کنند استفاده می شود.

آنها همچنین می توانند در مدارهایی که با ر پمپ می شود به عنوان یک افت ذخیره کننده در تولید ولتاژ بالاتر از ولتاژ ورودی بکار می روند.

خازن ها با مدار توان بیشتر ابزارهای الکتریکی و سیستم بزرگتر (مانند کارخانه) برای شنت کردن یک طرفه و پنهان کردن نوسانات جریان از منبع اغذیه ایتدایی برای بهبود "Clear" منبع تغذیه برای پیام رسانی یا کنترل مدارها به صورت موازی وصل می شوند.

تجهیزات سمعی به عنوان مثال خازنهای مختلفی در این را برای شنت کردن یک طرفه اغتشاش صوتی خط جریان قوی قبل از اینکه در مدارات پیام رسان وارد شوند استفاده می شوند.

خازنها مانند یک ذخیره محلی برای منبع قدرت DC و گذشته جریانهای AC از منبع تغذیه استفاده می شوند.

خازن ها بلای تقویت ضریب توان هم بکار می روند مثلاً خازن ها اغلب به صورت 3 خازن وصل شده به عنوان پیش افت فاز بکار می روند.

معمولاً مقدار این خازنها در فاراد داده نمی شود.

بلکه به عنوان قدرت عکس العمل در ولت آمپر راکتیو (var) هدف جور کردن بار القای ماشین آلات است که شامل موتورهایی است که برای ساختن بار که بیشتر به صورت مقاومتی ظاهر می شوند خازن ها همچنین به صورت موازی برای جدا کردن واحد ولتاژ بالای مدار شکن در توزیع منظم ولتاژ بین این واحدها بکار می روند در این مورد آنها خازن های طبقه بندی شده نامیده می شوند در نمودارهای قیاسی و الگوی یک خازن در ابتدا برای ذخیره بار درDC بکار می رود که اغلب بطور عمود در نمودارهای مدارها با پایین ترین منفی ممکن کشیده می شد.

طبقه مانند یک قوس رسم می شود.

اگر این قطبی شده باشد صفحه مستقیم تعیین کننده ترمینال ابزار مثبت است (رجوع کنید به خازن های الکترونیکی) خازن های الکترونیکی قطبی شده برای فیلتر کردن سیگنال ها بکار می روند که به طور نمونه با دو صفحه کج و دیگر خازن های قطبی شده با دو صفحه راست رسم می شوند.

4 ـ مدارهای میزان شده ( وفق یافته) در مدارهای میزان شده خازن ها و القاگرها با هم برای انتخاب اطلاعات در باند فرکانس مخصوص بکار می روند.

برای مثال دریافت کننده های رادیویی از متنوع بودن خازنها برای میزان کردن وقفه فرکانس استفاده می کنند .

5 ـ جفت شدگی سیگنال بخاطر اینکه خازن AC را عبور می دهد اما در برابر سیگنال های DC بسته است ( هنگامی که برای ولتاژ DC کاربردی شارژ می شود).

آنها اغلب برای جداسازی مولف های سیگنال AC و DC بکار می روند این روش نام جفت شدگی AC معروف است ( بعضی اوقات مبدل ها برای تاثیر یکسان استفاده می شود).

اکنون مقدار زیاد ظرفیت مقداری که نیاز به کنترل با دقت ندارد اما راکتانسی که در سیگنال فرکانس کوچک است بکار گرفته می شود خازن ها برای رسیدن به این هدف طراحی شده اند که میان صفحات فلزی را که خازن های میان اغذیه أی نامیده می شوند پر کنند و اختلاف علائم الگویی اندکی دارند .

6 ـ تبدیل کاربردی ها خازن با دی الکتریک دو بازو پر منفذ می تواند برای اندازه گیری رطوبت در هوا استفاده شود و یا با یک صفحه انعطاف پذیر می توانند کشش یا فشار اندازه گیری کنند.

خازن ها به عنوان مبدل در کندانسور میکرو فن نیز استفاده می شوند.

7 ـ کاربرد جنگ افزاری استفاده مهم نظامی خازن در سلاح EMP یک پلاستیک انفجاری که بجای دی الکتریک استفاده می شود و هنگامی که خازن بارگیری می کند ماده منفجره منفجر می شود.

طرز کار آن به این گونه است که ظرفیت کند می شود اما بار روی صفات به همان مقدار می ماند این باعث ایجاد یک انرژی بالا و شوک موج الکترومغناطیسی می شود که توانایی خراب کردن وسایل های الکتریکی تا شعاع 1 مایلی را دارد شایع شده است که این ابزارها به وسیله USA در سال 2003 در تجاوز نظامی به عراق بکار شده است بهر حال این جای تاسف داد (مراجعه شود به مواد مهم فشار ذوب کننده تلمبه زن قابل انفجار).

ولتاژ بسیار بالا و اندوکتانس پایین خازن همچنین به عنوان منبع انرژی برای چاشنی منفجر کننده پل یا برای چاشنی صدا در صلاح های هسته أی و دیگر اسلحه های مخصوص استفاده می شود.

6 ـ ایمنی و خطرات خازن : خازن ها می توانند بار را مدت زیادی بعد از اینکه قدرت از مدار خارج شد نگه داری کنند این بار باعث ایجاد شوک می شود.(تا حدی که باعث مرگ در اثر برق گرفتگی می شود) و یا خسارت برای از بین بردن تجهیزات دیگر.

برای مطمئن شدن از اینکه هر ولتاژ بالای خازن (قبل از سرویس دادن به تجهیزات ) کاملاً خالی شده است باید مراقبت به عمل بیایید.

برای ایمنی اهداف تمام خازن های بزرگ باید قبل از لمس از بار خالی شوند برای خازنها تخته تراز این کار با قراردادن یک مقدار پایین مقاومت دو سر ترمینال های آن صورت می گیرد برای متلاشی کردن هر بار ذخیره أی بالای ولتاژ بالای خازن باید با اتصال پیدا کردن ترمینال ها ذخیره شوند.

از زمانی که خازن ها دارای چنین مقدار کمی از ERS ها هستند آنها ظرفیت آزاد کردن جریان ها را به مدارهای کوتاه دارند و این می تواند خطرناک باشد خازنهای قدیمی میدانهای نفتی بزرگ که بطور کامل بی خط شده اند مانند آنهایی که شامل PCB ها (بی فنیل چند کلری) هستند این شناخته شده است که PCB های خراب شده می توانند به درون آب های زمین در منابع زیر زمینی تراوش کنند اگر این آب آلوده مصرف شود PCB علاوه بر خرابی های گفته شده در بالا سرطان زا نیز هستند.

اشیاء جدید الکتریکی با PCB ها ساخته نمی شوند.