آشنایی با خازن، ثابت زمانی و مسائل فیزیكی مربوط به آن
دوستان جلسه پیش با مقاومت و انواع آن و قانون اهم و مقدمات الكترونیك آشنا شدیم. این جلسه قصد داریم با برخی قطعات دیگر پر كاربرد الكترونیكی آشنا شویم. آشنایی با این قطعات پركاربرد مقدمه نصب و لحیم کاری است پس این مفاهیم بنیاد مثل اینکه خیلی خیلی اهمیت دارند!
در این جلسه با خازن و مسائل مربوط به آن و مفاهیمی چون ثابت زمانی و ... آشنا خواهیم شد.
خازن
شکل شماتیک خازن
اسم خازن را شاید شنیده باشید، اگر هم نشنیده بودید خوب حال شنیدید! ( یا دیدید!)
برای اینکه مفهوم خازن را به درستی متوجه شوید مثالی عینی و نزدیك به ذهن می‌زنیم: بچه ها حتماً منابع آب را در گوشه و كنار شهر دیده اید. این منابع برای ذخیره آب استفاده میشوند تا در موقع لزوم از آن استفاده گردد. همان هایی که یک منبع بزرگ آب را روی چهار تا پایه در ارتفاع چند ده متری هوا میکنند!
واضح است كه هر چه این منابع بزرگتر باشند آب بیشتری را در خود ذخیره می‌كنند. خازن هم منبعی برای ذخیره انرژی الكتریكی یا به عبارت دقیق بار الكتریكی است تا در مواقع لزوم از آن استفاده كنیم.
حتماً می‌پرسید این بار الكتریكی "کیو" اصلا چی چی است؟
باز هم مثال می‌زنیم: منبع آب كه مثال زدیم با جریان آب پر میشود و با جریان آب هم خالی میشود در واقع منبع روالی برای پر شدن و خالی شدن دارد كه برای هر دوی این اتفاق ها جریان آب لازم است. برای پر شدن و خالی شدن خازن هم جریان الكتریكی لازم است یعنی باید حتماً جریان الكتریكی برقرار شود تا خازن پر یا خالی شود. بچه ها می‌بینیم كه خازن دارای مفهوم بسیار ساده ای است.
شاید تا اینجا کمی شبیه یک باتری به نظر برسد اما ساختار آن با باتری تفاوت های خیلی زیادی دارد، درست است که هر دو این عناصر توی خودشان انرژی الکتریکی ذخیره میکنند، اما این کجا و آن کجا!!
یک تفاوت ساده اش در پر شدن و خالی شدن است، خازن را میتوان در ثانیه چند صد بار پر و خالی کرد (و الکترونها را سر کار گذاشت!) اما این کار را عمرا نمیشود با باتری انجام داد!
كمی بیشتر به خود خازن می‌پردازیم :
همان طور كه میدانید دو نوع بار الكتریكی داریم بار الكتریكی + و - به خاطر همین است كه خازن دو صفحه دارد. چون روی یك صفحه آن بار + و روی صفحه دیگر بار منفی ذخیره میشود. هرچه فاصله صفحات خازن كمتر باشد توانایی بارهای + و – برای حفظ هم بیشتر میشود ( چون بار + و – یکدیگر را جذب می‌كنند) و ظرفیت خازن هم به همین نسبت زیادتر میشود.
این دو صفحه رسانا با فاصله کمی از هم قرار گرفته اند، الکترونها و پروتونها توی این دو تا صفحه جمع میشوند و رو به روی هم قرار میگیرند. حضور هر کدام باعث میشود تعداد بیشتری از آن یکی در صفحات جمع شوند و به این ترتیب آنها در خازن ذخیره میشوند
ظرفیت خازن را برای ذخیره انرژی الكتریكی را با "سی" نشان میدهیم و فرمولی را هم برای آن ارائه میدهیم، منتها به شرطی كه از این فرمول نترسید و برای فهمیدن آن صبر كنید
در این فرمول مساحت هر کدام از این صفحات "ای" و فاصله بین دو صفحه هم "دی" است.
واضح است كه هر چه سطح مقطع خازن بزرگ تر باشد بار بیشتری روی آن جمع میشود چون فضای بیشتری برای ذخیره بار الكتریكی دارد. اما توضیح اینكه چرا اگر فاصله صفحات خازن كمتر شود ظرفیت خازن بیشتر میشود كمی طول و تفصیل دارد، فعلا شما قبول کنید که با کم شدن فاصله ظرفیت زیاد میشود!
بچه ها حالا میمونه "کا"
"کا"را توی خانه "ضریب نفوذ دی الكتریك" صدا میکنند! اما مفهوم آن به سخن اسم آن نیست!
ضریب نفود دی الكتریك بالا، یعنی اینكه فاصله بین دو جوش خازن از چیزی پر شود که توانائی بار های الكتریكی در حفظ هم بیشتر شود. نتیجتا "کا" به جنس ماده بین دو جوش خازن بستگی دارد.
پس فهمید كه ظرفیت خازن به چه پارامتر هایی وابسته است.
بچه ها بعد از بررسی ظرفیت خازن به بررسی مقدار بار ذخیره شده روی خازن می‌پردازیم. این هم فرمول دارد ولی قبل از فرمول مفهوم آن را بیان می‌كنیم كه ساده تر فرمول را متوجه شوید!
به مثال منبع آب بر می‌گردیم، بچه منبع آب وقتی آب شیری را در خود ذخیره می‌كند كه بزرگتر بوده و آب با فشار بیشتری وارد آن شود، درست مثل وقتی که ظرفیت خازن بیشتر بوده و جریانی از الکترونها هم با فشار وارد آن شوند، در این صورت در خازن انرزی ذخیره میشود.
می‌دانیم كه منابع آب دارای ارتفاع از سطح زمین هستند و لابد شما از من بهتر و میدانید كه برای انتقال آب به این منابع باید نیروی و انرژی مصرف كنیم، اگر این نیرو بتواند بر انرژی جاذبه غلبه كند و خود را به منبع آب برساند می‌تواند منبع را پر از آب كند و گرنه آب وارد منبع نمیشود، این مفهوم معادل مفهوم ولتاژ در خازن است.
ولتاژی كه دو سر خازن می‌افتد مثل آبی است كه با فشار دادن میخواهید خود را وارد منبع کند. هرچه ولتاژ بالاتر باشد باری كه وارد خازن میشود و در آن ذخیره میگردد بیشتر میشود. اما ولتاژ کم مقدار کمی بار را روی خازن ذخیره میکند.
پس حالا می‌توانیم فرمول را بیان كنیم :
همانطور كه دیدیم بار ذخیره شده در خازن رابطه مستقیم دارد با ظرفیت خازن: 
و همینطور با ولتاژ : 
رابطه مستقیم همانطور که در درس های پیش هم گفتیم، یعنی با افزایش یکی دیگری هم افزایش پیدا میکند. پس حال رابطه كل را می‌نویسم
یعنی اگر می خواهیم بار بیشتری در خازن ذخیره شود باید "سی" و "وی" را زیاد کنیم.
یك مفهوم دیگر از خازن باقی ماند به نام ثابت زمانی كه آن را هم توضیح میدهیم و به سراغ دیود می‌رویم.
ثابت زمانی هم فرمول دارد اما اول مفهوم!
ثابت زمان یعنی مدت زمانی كه طول می‌كشد تا خازن از حالت بی بار به حالت شارژ كامل برسد و یا برعكس از حالت شارژ كامل خالی شود ( در منبع آب هم دقیقاً همین مفهوم حاكم است ) پس می‌بینیم كه هر چه ثابت زمانی كم تر باشد خازن سریعتر شارژ و یا تخلیه میشود .
به منبع آن بر می‌گردیم وقت میخواهیم از آب منبع آب استفاده كنیم سرعت خروج آب از آن یا به عبارت سرعت تخلیه منبع آب برای ما مهم است.
سرعت تخلیه آب از منبع به مسیر خط آب بستگی دارد اگر مقاومت مسیر خروج آب كم باشد آب به آسانی خارج میشود و در واقع منبع سریعتر تخلیه میگردد. یادتان میآید که ما قبلا سیم و جریان الکترونهای درون آن را با لوله آب مقایسه کرده بودیم؟
هرچه منبع ظرفیت کمتری داشته باشد، یعنی آب كمتری دارد و خود به خود زودتر تخلیه میشود. پس با مشابهت این مفاهیم با مفاهیم خازن به رابطه ثابت زمانی زیر می‌رسیم
در حقیقت مفهوم ثابت زمانی مربوط به زمان است که مثلا میخواهیم بار داخل خازن را تخلیه کنیم. برای این کهر باید برای الکترونهای یک صفحه راهی برای رسیدن به پروتونهای صفحه روبهرو مهیا کنیم تا برون به همدیگر برسند و اثرشان خنثی شود!
برای این کهر باید دو صفحه خازن را با یک سیم به هم وصل کرد، این سیم معمولا یک مقاومتی دارد که آن را با "آر" نمایش میدهیم،"سی" هم که معلوم است، همان ظرفیت خازن است که قبلا دیدیم.
هر چه كه "سی" , "آر" بیشتر باشد "تی" بیشتر است و بالعكس. یعنی هرچه مقاومت در برابر عبور جریان كمتر باشد و بار كمتری ذخیره شده باشد، عمل تخلیه سریعتر صورت میگیرد....
بچه ها فعلاً دیگر با خازن كاری نداریم ولی بعداً زیاد از آن استفاده می‌كنیم. درست است که درس امروز خیلی فیزیکی و ریاضی شد و ربط زیادی با روبوتیک نداشت اما بعدا خواهید دید که چیز هایی که امروز یادگرفتید خیلی مفید بوده است
درضمن من درمورد اون حرف های انگلیسی ازتون عذرخواهی می کنم
No comments:
Post a Comment