مقدمه
دو جسم رسانا که بتوانند بارهای مساوی و مختلف العلامه () را در خود ذخیره کنند و اختلاف پتانسیل میان آنها به باردار بودن سایر رساناهای دستگاه بستگی نداشته باشند، تشکیل خازن می دهند. این بستگی نداشتن به بارها به معنی آن است که یکی از این دو رسانا مانند سپری رسانای دیگر را حفاظت می کند. به بیان دیگر ، پتانسیلی که بارهای دیگر در هر یک از زوج رساناها ایجاد می کنند، باید یکسان باشد.
خازن می تواند با توجه به شکل هندسی رساناهای موجود در آن انواع مختلف داشته باشد. خازن کروی یکی از این نمونه ها می باشد. در خازن کروی همانگونه که از نامش روشن است، رساناها به شکل کره های هم مرکز هستند که شعاع یکی از دیگری بزرگتر می باشد. شکل هندسی خازن فقط منجر به داشتن ظرفیت متفاوت می گردد، ولی در نوع اتصال خازنها و یا موارد دیگر فرقی ندارد.
ظرفیت خازن کروی
بهترین روش برای تعیین ظرفیت خازن کروی ، با توجه به تقارن موجود در آن استفاده از قانون گاوس است. برای این منظور باید یک سطح فرضی به عنوان سطح گاوسی در نظر بگیریم. به عنوان مثال ، اگر شعاع کره رسانای داخلی r1 و شعاع رسانای خارجی r2 باشد، کره فرضی با شعاع r بطوری که r2 > r > r1 باشد، در نظر می گیریم. اگر قانون گاوس را در مورد این کره اعمال کنیم، میدان الکتریکی در فضای میان صفحات از رابطه زیر محاسبه می شود:
که در آن q مقدار بار ذخیره شده در روی صفحات کروی خازنها است. با در دست داشتن E می توان اختلاف پتانسیل میان صفحات خازن را تعیین کرد و از آنجا ظرفیت خازن با توجه به رابطه C = qV می تواند به صورت زیر بیان شود:
کره منزوی
به یک تک رسانای کروی منزوی ، با این فرض که صفحه دیگر کره رسانایی به شعاع بینهایت است، می توان یک ظرفیت نسبت داد، اما به دلیل اینکه خطوط میدانی که از سطح یک کره رسانای منزوی باردار خارج می شوند، باید به جایی ختم شوند، می توان دیواره های اتاقی را که رسانا در آن قرار دارد، به عنوان کره مورد نظر با شعاع بینهایت فرض کرد.
برای محاسبه ظرفیت این چنین خازنی ، فقط کافی است که در رابطه ظرفیت خازن کروی شعاع b را به سمت بینهایت میل دهیم. در این صورت ظرفیت کره منزوی به صورت زیر خواهد بود:
وجه مشترک کلیه خازنها
در کلیه خازنها قوانین مربوط به اتصال خازنها به یک صورت است و فقط ظرفیت خازن ، با توجه به تغییر شکل خازن متغیر خواهد بود. همچنین روابط مربوط به محاسبه انرژی خازنها نیز به این صورت خواهد بود. در مورد خازنهای کروی نیز می توان به جای خلا نوعی ماده دی الکتریک در داخل خازن قرار داد. در این صورت اگر ثابت دی الکتریک ، ماده دی الکتریک مورد نظر را با k نشان دهیم، کافی است که در کلیه روابط بجای ε0 از کمیت kε0 استفاده کنیم.
درباره خازنها!
• آزمایش نشان می دهد که ظرفیت یک خازن به اندازه بار (q) و به اختلاف پتانسیل دو سر خازن (V) بستگی ندارد بلکه به نسبت q/v بستگی دارد.
• بار الکتریکی ذخیره شده در خازن با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم دارد. یعنی: q a v
• ظرفیت خازن با فاصله بین دو صفحه نسبت عکس دارد. یعنی: C a 1/d
• ظرفیت خازن با مساحت هر یک از صفحات و جنس دی الکتریک (K )نسبت مستقیم دارد. یعنی: C a A و C a K
شارژ یا پر کردن یک خازن:
وقتی که یک خازن بی بار را به دو سر یک باتری وصل کنیم؛ الکترونها در مدار جاری می شوند. بدین ترتیب یکی ازصفحات بار (+)و صفحه دیگر بار (-) پیدا می کند. آن صفحه ای که به قطب مثبت باتری وصل شده ؛ بار مثبت و صفحه دیگر بار منفی پیدا می کند. خازن پس از ذخیره کردن مقدار معینی از بار الکتریکی پر می شود. یعنی با توجه به اینکه کلید همچنان بسته است؛ ولی جریانی از مدار عبور نمی کند و در واقع جریان به صفر می رسد. یعنی به محض اینکه یک خازن خالی بدون بار را در یک مدار به مولد متصل کردیم؛ پس از مدتی کوتاه عقربه گالوانومتر دوباره روی صفر بر می گردد. یعنی دیگر جریانی از مدار عبور نمی کند. در این حالت می گوییم خازن پرشده است. دشارژ یا تخلیه یک خازن ابتدا خازنی را که پر است در نظر می گیریم. دو سر خازن را توسط یک سیم به همدیگر وصل می کنیم. در این حالت برای مدت کوتاهی جریانی در مدار برقرار می شود و این جریان تا زمانی که بار روی صفحات خازن وجود دارد برقرار است. پس از مدت زمانی جریان صفر خواهد شد. یعنی دیگر باری بر روی صفحات خازن وجود ندارد و خازن تخلیه شده است. اگر خازن کاملاً پر شود دیگر جریانی برقرار نمی شود و اگر خازن کاملاً تخلیه شود باز هم جریانی برقرار نمی شود.
تاثیر ماده دی الکتریک در فضای بین دو صفحه موازی یک خازن:
وقتی که خازنی را به مولدی وصل می کنیم؛ یک میدان یکنواخت در داخل خازن بوجود می آید. این میدان الکتریکی بر توزیع بارهای الکتریکی اتمی عایقی که در درون صفحات قرار دارد اثر می گذارد و باعث می شود که دو قطبیهای موجود در عایق طوری شکل گیری کنند؛ که در یک سمت عایق بارهای مثبت و در سمت دیگر آن بارهای منفی تجمّع کنند. توزیع بارهایی که در لبه های عایق قرار دارند؛ بر بارهای روی صفحات خازن اثر می گذارد. یعنی بارهای منفی روی لبه های عایق؛ بارهای مثبت بیشتری را روی صفحات خازن جمع می کند؛ و همینطور بارهای مثبت روی لبه های عایق بارهای منفی بیشتری را روی صفحات خازن جمع می کند. بنابراین با افزایش ثابت دی الکتریک (K) می توان بارهای بیشتری را روی خازن جمع کرد و باعث افزایش ظرفیت یک خازن شد. با گذاشتن دی الکتریک در بین صفحات یک خازن ظرفیت آن افزایش می یابد. میدان الکتریکی درون خازن تخت در فضای بین صفحات خازن بار دار میدان الکتریکی یکنواختی برقرار می شود که جهت آن همواره از صفحه مثبت خازن به سمت صفحه منفی خازن است. اندازه میدان همواره یک عدد ثابت می باشد.
خازن های حالت جامد
(Solid Capacitor)
خازن ها یکی از عناصر اصلی در هر مدار الکترونیکی می باشند.این قطعات با تنوع بسیار زیاد در نوع، شکل و اندازه،دارای وظایف گوناگونی در قطعات الکترونیکی مختلف هستند.
خازن های الکترولیت یکی از انواع مهم خازن ها است که از آن برای انجام وظایفی چون ذخیره موقت الکتریسیته ،فیلترینگ و… استفاده می شود. ساختمان این خازن ها بسیار ساده است. این خازن ها از دو ورقه آلومینیومی که به دور هم پیچیده شده اند و یک لایه عایق الکترولیت که میان آنها قرار گرفته ، تشکیل شده است این خازن ها علاوه بر مزایای مهم ، دارای معایبی نیز هستند.
خازن های الکترولیت معمولا نمی توانند شدت جریان بالایی را تحمل کنند. این خازن ها دارای مقاومت ظاهری بالایی هستند که همین امر سبب می شود هنگام استفاده از آنها در جریان های بالا حرارت زیادی تولید شود.
حرارت بالا می تواند سبب بروز تغییرات در ماده الکترولیت شده و علاوه بر ایجاد تغییر در مشخصات الکتریکی خازن باعث نشت و یا باد کردگی خازن شود و ثبات عملکرد آن را از بین ببرد. بعلاوه مقاومت ظاهری این خازن ها هنگام کار در فرکانس های بالا افزایش یافته و همین امر باعث افزایش هرچه بیشتر تلفات توان و در نتیجه افزایش حرارت در آنها می گردد.
به دلیل افزایش فرکانس و مصرف توان قطعاتی چون پردازنده ها، حافظه و کارت های توسعه، مشکلات ایجاد شده توسط خازن های الکترولیت در کامپیوتر ها روز به روز بیشتر می شوند. از همین رو طراحان و تولید کنندگان شروع به استفاده از خازن های حالت جامد (Solid Capacitor ) در قطعات مختلف کامپیوتر نموده اند.
شکل 1: نمونه ای از خازن های الکترولیت
خازن های حالت جامد در حقیقت نوع جدیدی از خازن های الکترولیت هستند که با ارایه تمهیداتی مشکلات موجود در خازن های الکترولیت معمولی را برطرف کرده اند. ساختمان این دو نوع خازن تا حد زیادی شبیه به هم است. مهمترین تفاوت میان خازن های حالت جامد و خازن های الکترولیت معمولی ، در ماده الکترولیت به کار رفته در آنها است. ورقه جدا کننده در خازن های معمولی از یک صفحه کاغذی که به ماده الکترولیت آغشته شده است تشکیل شده در حالی که در خازن های حالت جامد ورقه جدا کننده از ترکیب ماده الکترولیت با یک پلیمر رسانا تشکیل می شود.
خازن های حالت جامد تقریبا تمامی مشکلات موجود در خازن های الکترولیتی معمولی را برطرف کرده اند. این خازن ها دارای مقاومت ظاهری کمی در فرکانس های بالا بوده و به همین دلیل حرارت کمتری را تولید می کنند.
ظرفیت خازن های حالت جامد با تغییر درجه حرارت تغییر نمی کند به همین دلیل می توان از آنها در محدوده حرارتی وسیع تری استفاده نمود.
این خازن ها توانایی کار در جریان های بالا را داشته و دارای طول عمر بیشتری نیز می باشند. طول عمر متوسط این خازن ها بین 60 تا 300 درصد بیش از خازن های الکترولیت معمولی است. در این نوع خازن ها، مشکلاتی چون بروز نشتی و یا باد کردگی به طور کلی از میان رفته است.
خازن های حالت جامد دارای ایمنی بالایی می باشند و هنگام استفاده از آن ها ثبات سیستم به نحو چشمگیری افزایش می یابد. علاوه بر این، این خازن ها فاقد مواد آلاینده بوده و زیانی را به محیط زیست وارد نمی آورند.
به علت توانایی کار در فرکانس های بالا، این خازن ها برای استفاده در منابع تغذیه سوییچینگ، مانند مدارهای تغذیه پردازنده بر روی مادربردها، ایده آل هستند.مشخصات منحصر به فرد و طول عمر بالای خازن های حالت جامد آنها را برای استفاده در سیستم هایی که به طور پیوسته و در مدت زمان طولانی مورد استفاده قرار می گیرند مناسب می سازد.
شکل 2 : نمونه ای از خازن های Solid Capacitor
به خاطر مزایای غیر قابل انکار خازن های حالت جامد، سازندگان قطعات مختلف الکترونیکی و کامپیوتری، شروع به استفاده گسترده از آنها در محصولات خود نموده اند.در این میان شرکت GIGABYE به عنوان یکی از بزرگترین تولید کنندگان مادربرد و دیگر سخت افزارهای کامپیوتری در جهان اقدام به ارایه مادربردهایی نموده است که به طور کامل از خازن های حالت جامد استفاده می نمایند. در حال حاضر سری مادربردهای DS و DQ این شرکت که بر پایه چیپ ست های سری P965 و G965 تولید می شوند تماما از این خازن ها استفاده می کنند.
این مادربردها برای کار به صورت مداوم و برای مدت طولانی ایده آل هستند.کافی نت ها، گیم نت ها و مکان هایی که مدت زمان زیادی از کامپیوترهای خود به صورت مداوم استفاده می کنند می توانند از مزایای این مادربرد ها بهره ببرند.
علاوه بر این به خاطر توانایی این خازن ها برای کار در فرکانس های بالا، مادربرد هایی که از این خازن ها استفاده می کنند دارای توانایی های بالایی در زمینه Overclocking هستند که همین مساله آنها را برای مشتاقان بازی ها و کاربرانی که می خواهند از حداکثر توانایی های سیستم خود استفاده کننده مناسب می سازد.
10