خازن

دو رسانا با هر شکلی، در مجاورت هم که از هم عايق شده باشند، را خازن می ناميم. خازن وسيله ای الکتريکی است که می تواند بار و انرژی الکتريکی در خود ذخيره کند. خازن ها در مدارهای الکترونيک بسيار کاربرد دارند. از جمله در يک موبايل تا 700 خازن ممکن است بکار گرفته شده باشد.

خازن ها اندازه ها و شکل های مختلف دارند. ساده ترين خازن متشکل از دو صفحه رسانای تخت به مساحت A است که به فاصله (d) که در مقابل ابعاد صفحه ها ناچيز است از هم قرار گرفته اند. برای باردار کردن خازن هر صفحه آن را به يک قطب باتری متصل می کنند. بار از باتری به صفحات خازن جريان پيدا می کند تا بار صفحه متصل به قطب مثبت $+ Q$  و صفحه متصل به قطب منفی $- Q$  شود. در نتيجه بين صفحات خازن ميدان يکنواختی (که جهت آن از صفحه مثبت به منفی است) ايجاد می شود.

ظرفيت خازن را با رابطه $C = \frac{Q}{V}$  تعريف می کنند. يکای ظرفيت خازن در SI فاراد (که با F نشان داده می شود) است. يک فاراد ظرفيت خازنی است که اگر اختلاف پتانسيل يک ولت به آن وارد شود يک کولن بار در آن ذخيره گردد. با توجه به بزرگی يک کولن بار، يک فاراد نيز ظرفيت بزرگی براي يک خازن است. بيشتر خازن های بکار رفته در ابزارهايی مانند موبايل ظرفيت هايی در حدود پيکو فاراد يا ميکرو فاراد دارند.

ماده نارسايی که بين دو صفحه خازن قرار می گيرد را دی الکتريک می نامند. ظرفيت يک خازن تخت ساده متشکل از دو صفحه رسانای تخت به مساحت A است که به فاصله d تنها به خصوصيات ساختاری آن وابسته است و برای يک خازن تخت از رابطه زير بدست می آيد:

$C = {\varepsilon _0}\frac{A}{d}$

که در آن ${\varepsilon _0}$ ضريب گذردهی خلأ (${\varepsilon _0} = 8 - 85 \times {10^{ - 12}}\frac{F}{m}$ ) است. اگر بين صفحات خازن ماده دی الکتريک قرار گيرد، ظرفيت خازن بسته به ثابت دی الکتريک آن افزايش يافته، و از رابطه زير بدست می آيد.

$C = \kappa {C_0}$

اين رابطه برای خازن تخت به صورت زير است.

$C = \kappa {\varepsilon _0}\frac{A}{d}$

هر ماده دی الکتريک تحمل ولتاژ معينی را دارد. اگر اختلاف پتانسيل متصل به دو سر خازن از اين مقدار بالاتر رود، پديده فروريزش الکتريکی رخ می دهد. در اين حالت شدت ميدان الکتريکی به قدری قوی است که باعث کنده شدن الکترون ها و حرکت آن در ماده دی الکتريک می شود و معمولا منجر به سوختن دی الکتريک و خازن می گردد.

يک خازن علاوه بر بار می تواند ابزاری برای ذخيره انرژی در مدارها باشد. انرژی ذخيره شده در خازن از روابط زير) بر حسب بار و اختلاف پتانسيل و ظرفيت خازن) بدست می آيد:

$U = \frac{1}{2}QV = \frac{1}{2}C{V^2} = \frac{1}{2}\frac{{{Q^2}}}{C}$

که در آن U انرژی پتانسيل الکتريکی خازن بوده و يکای آن ژول است.