ظرفیت یک مفهوم اساسی در الکترواستاتیک است که شامل توانایی یک سیستم برای ذخیره بار الکتریکی است. اندازه گیری مقدار بار الکتریکی ذخیره شده برای یک پتانسیل الکتریکی معین است. ظرفیت خازنی در طراحی و عملکرد طیف وسیعی از دستگاه های الکترونیکی، از جمله خازن ها، که اجزایی هستند که انرژی الکتریکی را ذخیره و آزاد می کنند، بسیار مهم است.
ظرفیت خازنی به عنوان نسبت بار الکتریکی ( \(Q\) ) روی هر هادی به اختلاف پتانسیل ( \(V\) ) بین آنها تعریف می شود. فرمول ظرفیت ( \(C\) ) به صورت زیر بیان می شود:
\(C = \frac{Q}{V}\)واحد خازن فاراد (F) است که به نام مایکل فارادی نامگذاری شده است. یک خازن با ظرفیت یک فاراد یک کولن بار الکتریکی را زمانی ذخیره می کند که اختلاف پتانسیل یک ولت در صفحات خود داشته باشد.
یک خازن اصلی شامل دو هادی است که توسط یک ماده عایق به نام دی الکتریک از هم جدا شده اند. هادی ها می توانند به اشکال مختلفی مانند صفحه، کره یا استوانه باشند. ماده دی الکتریک با مقاومت در برابر جریان بار الکتریکی، نقش مهمی در تعیین ظرفیت خازن ایفا می کند و ظرفیت ذخیره بار خازن را افزایش می دهد.
برای یک خازن صفحه موازی، ظرفیت خازن را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:
\(C = \epsilon \frac{A}{d}\)که در آن \(C\) ظرفیت، \(\epsilon\) گذردهی ماده دی الکتریک، \(A\) مساحت یکی از صفحات و \(d\) فاصله بین صفحات است. .
یک خازن انرژی را در میدان الکتریکی ایجاد شده بین صفحات خود ذخیره می کند. انرژی ( \(U\) ) ذخیره شده در یک خازن باردار با معادله به دست می آید:
\(U = \frac{1}{2} CV^{2}\)این معادله نشان می دهد که انرژی ذخیره شده در خازن متناسب با مجذور ولتاژ دو طرف آن و نسبت مستقیم با ظرفیت خازن است. این اصل در دستگاه های الکترونیکی مختلف برای ذخیره و آزادسازی انرژی در صورت نیاز استفاده می شود.
دی الکتریک بین صفحات یک خازن فقط یک عایق نیست. همچنین با قطبش کردن در پاسخ به میدان الکتریکی بر ظرفیت خازن تأثیر می گذارد. این قطبش میدان الکتریکی موثر در خازن را کاهش می دهد و ظرفیت آن را برای ذخیره بار افزایش می دهد. ثابت دی الکتریک ( \(\kappa\) ) معیاری از این اثر است، با مقادیر بالاتر که نشان دهنده ظرفیت بیشتر است.
هنگامی که خازن ها به صورت سری به هم متصل می شوند، ظرفیت کل ( \(C_{total}\) ) کمتر از هر یک از خازن های منفرد است که با استفاده از فرمول متقابل مجموع متقابل ها محاسبه می شود:
\(\frac{1}{C_{total}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + ... + \frac{1}{C_n}\)برعکس، هنگامی که خازن ها به صورت موازی به هم متصل می شوند، ظرفیت کل مجموع ظرفیت های جداگانه است:
\(C_{total} = C_1 + C_2 + ... + C_n\)این پیکربندی امکان افزایش ظرفیت کلی مدار را فراهم می‌کند، زیرا ظرفیت ذخیره‌سازی شارژ هر خازن افزایش می‌یابد تا ظرفیت ذخیره کل بالاتری را فراهم کند.
یک آزمایش برای درک ظرفیت خازن شامل اندازه گیری بار ذخیره شده توسط یک خازن در ولتاژهای مختلف است. با اتصال یک خازن به منبع تغذیه متغیر و اندازه گیری شارژ انباشته شده در ولتاژهای مختلف با آمپرمتر حساس، می توان ظرفیت خازن را با استفاده از رابطه \(C = \frac{Q}{V}\) تعیین کرد.
میدان الکتریکی ( \(E\) ) بین صفحات یک خازن با چگالی بار ( \(\sigma\) ) روی صفحات و گذردهی دی الکتریک ( \(\epsilon\) ) با معادله مرتبط است. :
\(E = \frac{\sigma}{\epsilon}\)میدان الکتریکی در مجاورت صفحات قوی ترین است و با فاصله از صفحات ضعیف می شود. این میدان انرژی را در هنگام شارژ شدن خازن ذخیره می کند، به همین دلیل است که یک خازن می تواند در هنگام فروپاشی میدان الکتریکی انرژی آزاد کند.
خازن ها اجزای جدایی ناپذیر در مدارها و دستگاه های الکترونیکی هستند. آنها در موارد زیر استفاده می شوند:
ظرفیت یک مفهوم کلیدی در الکترواستاتیک و الکترونیک است که نشان دهنده توانایی یک سیستم برای ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی است. تحت تأثیر عواملی مانند اندازه صفحات رسانا، فاصله بین آنها و نوع ماده دی الکتریک مورد استفاده قرار می گیرد. خازن‌ها که از ظرفیت خازنی بهره می‌برند، کاربرد وسیعی در ذخیره‌سازی انرژی، تهویه توان و پردازش سیگنال دارند. درک ظرفیت خازن برای طراحی و کار با مدارها و دستگاه های الکترونیکی بسیار مهم است.
