ساختمان داخلی خازن از دو صفحه ی هادی که بین آن ها عایق قرار دارد تشکیل می‌شود. به صفحات هادی، جوشن نیز گفته می‌شود. شکل زیر علامت قرار دادی و ساختمان داخلی خازن در حالت کلی نشان داده شده است.

قسمت اصلی تشکیل شده است.

الف– صفحات هادی

ب– ماده ی عایق (دی الکتریک)

آشنایی با ساختمان داخلی خازن

مفهوم ظرفیت

اگر به صفحات یک خازن ولتاژ اتصال دهیم، در صفحات خازن بار الکتریکی ذخیره می‌شود. در این شرایط تا زمانی که خازن خالی نشود باقی می ماند. به همین دلیل در مدارهای الکتریکی از خازن بهمنظور ذخیره ی انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.

 با ذخیره شدن بارهای الکتریکی در خازن، اختلاف پتانسیل به وجود می آید. نسبت بین بارهای الکتریکی ذخیره شده در خازن به اختاف پتانسیل ایجاد شده در دو سر آن را ظرفیت خازن می نامند و آن را با حرف نشان C می دهند.

واحد اندازه‌گیری ظرفیت فاراد است. رابطه ی ظرفیت خازن با ولتاژ و مقدار بار به صورت زیر است.

در این رابطه مقادیر

=C ظرفیت خازن بر حسب فاراد

=Q بار الکتریکی ذخیره شده در خازن بر حسب

کولمب (کولن)

=V ولتاژ دو سر خازن بر حسب ولت

یک فاراد ظرفیت نسبتا بزرگی است و در عمل معمولاً از واحدهای خیلی کوچک تر از فاراد مانند میکرو فاراد، نانو فاراد و پیکو فاراد استفاده می‌شود. جدول زیر واحدهای کوچک تر خازن و ضرایب آن ها را نشان می دهد.

شارژ و دشارژ خازن در جریان مستقیم

وقتی یک خازن را به ولتاژ DC وصل کنیم می‌شود. در هنگام شارژ، انرژی الکتریکی از منبع به خازن انتقال می یابد و در آن ذخیره می‌شود. مقدار این انرژی بستگی به ظرفیت خازن و ولتاژ منبع دارد. زمانی که کلید بسته می شود، دراثر عبور جریان، ذخیره ی بارهای الکتریکی در صفحات خازن شروع می شود. با تداوم ذخیره ی بار الکتریکی در خازن ولتاژ بین صفحات خازن شروع به افزایش و جریان مدار شروع به کاهش می کند، این روند ادامه می یابد تا ولتاژ دو سر خازنبرابر با ولتاژ منبع و جریان مدار صفر می شود. در این حالت می گویند خازن به طور کامل شارژ شده است.

اگر خازن از منبع جدا شود تا مدتی در دو سر آن ولتاژ وجود دارد یعنی انرژی ذخیره شده را در خود نگه می دارد. از طرفی چون مقاومت عایق خازن بی نهایت نیست (عایق مطلق نیست)، به مرور زمان، الکترونها از طریق عایق از صفحه ی A به طرف صفحه ی B حرکت می‌کنند و خازن را تخلیه می نمایند. بدیهی است اگر خاصیت عایقی خازن، مطلق باشد خازن برای همیشه انرژی ذخیره شده را در خود حفظ می کند.

برای تخلیه ی بار الکتریکی صفحات خازن ابتدا خازن را از منبع تغذیه جدا می کنیم، سپس دو صفحه ی خازن B و A را از طریق یک مقاومت به یکدیگر اتصال می دهیم.

انرژی ذخیره شده در خازن

وقتی خازن را به‌طور مستقیم به یک منبع ولتاژ DC(مثل باتری) وصل کنیم بافاصله انرژی الکتریکی از منبع به خازن انتقال می یابد و در آن ذخیره می‌شود مقدار این انرژی بستگی به ظرفیت خازن و ولتاژ منبع دارد. اگر بار الکتریکی ذخیره شده بر روی صفحات معادل Q و اختاف پتانسیل بین دو صفحه V خازن باشد انرژی ذخیره شده در خازن از روابط زیر به دست می آید:

ثابت زمانی

مداری شامل یک مقاومت اهمی و یک خازن را که به صورت سری بسته شده اند به یک منبع ولتاژ DC وصل می کنیم، خازن فوراً شارژ (پر) نمی‌شود بلکه مدتی طول می کشد تا به شارژ کامل برسد. زمان شارژبستگی به مقدار R و C دارد. همچنین اگر پایه‌های یک خازن شارژ شده را به وسیله ی یک مقاومت اهمی به یکدیگر اتصال دهیم خازن به یک باره دشارژ (خالی) نمی‌شود، بلکه مدت زمانی طول می کشد تا خازن شارژ خود را از دست بدهد. که این زمان را اصطاحاً ثابت زمانی مدار RC می نامند بستگی به مقدار R و C دارد.

مقدار ثابت زمانی از حاصل ضرب R در C به دست می آید و آن را با حرف τ (تاو) نشان می دهند یعنی:

τ = RC

=τ ثابت زمانی بر حسب ثانیه

=R مقاومت اهمی سری شده با خازن

=C ظرفیت خازن بر حسب فاراد

۷ الف، یک – رابطه ی شارژ خازن رابطه ی خطی نیست، بلکه به صورت نمایی (جهشی) است.

تقریباً بعد از ۵ ثابت خازن موجود در مدار زمانی به‌طور کامل شارژ می‌شود

بیش از (۹۹/۳) منحنی شارژ خازن را نشان می دهد .به ازای هر ثابت زمانی، خازن به اندازه ی درصد معینی شارژ می‌شود که مقدار آن روی منحنی مشخص شده است . منحنی دشارژ خازن را نشان می دهد. در ثابت زمانی اول، ولتاژ دو سر خازن۶۳/۲۱ کم می‌شود. کاهش ولتاژ در ثابت زمانی دوم به۸۶/۴۶ درصد، در ثابت زمانی سوم به۹۵/۰۲ درصد و در ثابت زمانی چهارم ۹۸/۱۶ درصد و بالاخره در ثابت زمانی پنجم به۹۹/۳۲ درصد می رسد. در این حالت می گوییم خازن کاما تخلیه شده است. درصدهای مربوط به شارژ خازن نیز کاملا مشابه دشارژ آن است.

عوامل مؤثر در ظرفیت خازن

ظرفیت خازن به عوامل فیزیکی زیر بستگی دارد.

A) الف– سطح صفحات خازن

D) ب– فاصله ی بین صفحات خازن

K) ج– ماده ی عایق یا دی الکتریک

ظرفیت خازن خاصیتی است که از مشخصات فیزیکی خازن تبعیت می کند. بدین معنی که ظرفیت خازن با سطح صفحات خازن نسبت مستقیم و با فاصله ی بین دو صفحه نسبت عکس دارد. هم چنین جنس عایق بین صفحات خازن نیز در مقدار ظرفیت آن مؤثر است. رابطه ی زیر اثر عوامل فیزیکی روی ظرفیت خازن را نشان می دهد.

با توجه به رابطه ی بالا، هر قدر سطح صفحات بزرگ تر و فاصله ی بین دو صفحه کم تر باشد، ظرفیت خازن بیشتر است و می‌تواند انرژی بیش تری را در خود ذخیره کند. هم چنین جنس عایق نیز در میزان شارژ خازن دخالت دارد.