خازن
خازن یک عنصر غیر فعال الکترونیکی می باشد که انرژی الکتریکی را در یک میدان الکتریکی ذخیره می کند. اثر یک خازن به عنوان ظرفیت خازنی شناخته می شود. تا زمانی که مقداری ظرفیت خازنی بین هر دو هادی الکتریکی در نزدیکی مدار وجود دارد، یک خازن به عنوان مؤلفه ای طراحی می شود که مقداری ظرفیت خازنی به مدار اضافه می کند. خازن معمولا به عنوان کندانسور نیز شناخته می شود. این اسم به طور گسترده ای در بسیاری از زبان ها استفاده می شود اما در زبان انگلیسی آن چنان مرسوم نیست. ساختار فیزیکی خازن ها بسیار متنوع می باشد و امروزه بسیاری از خازن ها مدارات الکتریکی استفاده می شوند. اکثر خازن ها حداقل دارای 2 هادی الکتریکی می باشند که اغلب در قالب صفحات فلزی یا سطوح جدا شده به وسیله دی الکتریک می باشد. یک هادی معمولا یک فویل، فیلم نازک، مهره های فلزی و یا الکترولیت می باشد. یک دی الکتریک نارسانا به گونه ای عمل می کند که ظرفیت خازنی خازن را افزایش دهد. موادی که معمولا به عنوان دی الکتریک استفاده می شوند عبارت اند از: شیشه، سرامیک، فیلم پلاستیکی، کاغذ، میکا، هوا و لایه اکسید می باشد. خازن ها به طور وسیعی به عنوان جزئی از مدارات الکتریکی در وسایل الکترونیکی استفاده می شوند. برخلاف یک مقاومت، خازن ایده آل انرژی را از بین نمی برد. زمانی که هر دو هادی دارای پتانسیل متفاوتی باشند، برای مثال زمانی که یک خازن به باتری متصل می شود، یک میدان الکتریکی در سراسر دی الکتریک ایجاد می شود و این امر باعث می شود یک بار خالص مثبت روی یکی از صفحه ها و بار خالص منفی روی صفحه دیگر جمع می شود. هیچ جریانی داخل دی الکتریک جاری نمی شود، هرچند که جریانی به دلیل منبع در مدار وجود دارد. اگر این وضعیت به اندازه کافی طولانی شود، جریان داخل منبع متوقف می شود. اگر ولتاژ متغیر در طول مدت هدایت خازن اعمال شود، منبع یک جریان مداوم را به علت سیکل شارژ و دشارژ خازن را تحمل می کند.
اولین خازن در دهه 1740 زمانی که محققان اروپایی پی بردند که می توان جریان الکتریکی را در قوطی های شیشه ای که از آب پر شده است را ذخیره کرد ( که به اثر Leyden Jar معروف است) کشف شد. در سال 1748 Benjamin Franklin تعدادی قوطی را به هم متصل کرد و محصول به دست آمده را باتری الکتریکی نامید. امروزه، خازن ها به طور گسترده ای به منظور مسدود کننده جریان مستقیم (DC) در حالی که اجازه عبور جریان متناوب (AC) را می دهد، در مدارات مورد استفاده قرار می گیرد. در فیلتر های آنالوگ، خروجی منبع تغذیه را صاف می کند. در سیستم های انتقال قدرت جریان الکتریکی، ولتاژ و جریان را تثبیت می کند. خاصیت ذخیره انرژی در خازن ها در کامپیوتر های دیجیتالی امروز به عنوان حافظه داینامیک به کار گرفته می شود.
تاریخچه
در اکتبر سال 1745، Ewald Georg Von Kleist متوجه شد که بار می تواند بوسیله اتصال یک ژنراتور الکترواستاتیک ولتاژ بالا با یک سیم که در ظرف شیشه ای پر از آب بوسیله دست قرار دارد می توان ذخیره کرد. دست های Von Kleist و آب رفتاری مانند هادی و ظرف مانند دی الکتریک (هرچند که جزئیات مکانیزم این پروسه در آن زمان به درستی معلوم نبود). Von Kleist فهمید که لمس سیم سبب تولید جرقه ای قوی می شود. سال بعد، فیزیکدان هلندی Pieter Van Musschenbroek خازنی شبیه آن را تولید کرد. Daniel Gralath برای اولین بار چندین قوطی شیشه ای را به صورت موازی به منظور افزایش ذخیره خازنی با هم ترکیب کرد. Benjamin Franklin به بررسی Leylen Jar و بر خلاف نظر دیگران به این نتیجه رسید که بار روی شیشه ذخیره می شود نه روی آب.
او همچنین لفظ باتری را پذیرفت. Leyden Jar بعد ها به وسیله پوشش داخلی و خارج آن با فویل فلزی ساخته شد. Leyden Jar یا دستگاه های قوی تر با استفاده از صفحات شیشه ای تخت متناوب با هادی فویل تنها تا حدود سال 1900 استفاده می شدند. زمانی که اختراع وایرلس تقاضا را برای ساخت خازن استاندارد افزایش داد روش های ساخت فشرده مانند یک ورق دی الکتریک انعطاف پذیر که بین ورقه های فلزی قرار دارد و داخل پک های کوچک بسته بندی شده است، افزایش یافت. خازن های اولیه که با نام Condenser شناخته می شود که امروزه نیز گاهی از این لفظ استفاده می شود به خصوص در کاربردهای توان بالا مانند سیستم های خودرویی. با آغاز مطالعه بر روی مواد نارسانا مانند شیشه، مواد چینی، کاغذ و میکا از این مواد به عنوان عایق استفاده شد. از این مواد چند دهه بعد به منظور دی الکتریک در خازن های اولیه استفاده شد. خازن های کاغذی از یک نوار آغشته بین نوار فلزی که داخل یک سیلندر قرار دارد ساخته شد. این خازن ها در اواخر قرن 19 میلادی بسیار رایج شدند و ساخت آن ها در سال 1876 شروع شد. در اوایل قرن 20 میلادی از این خازن ها به عنوان خازن های جدا کننده در کاربرد های مخابراتی استفاده شد. از مواد چینی در خازن های سرامیکی استفاده شدند. در اوایل این سال Marconi از خازن های چینی در فرستنده های فرکانس بالا استفاده شد. در سمت دریافت کننده نیز از خازن های میکا در مدارات تشدید استفاده شد. خازن های با دی الکتریک میکا در سال 1909 توسط William Dubilier اختراع شد. قبل از جنگ جهانی دوم، میکا رایج ترین دی الکتریک در ایالات متحده آمریکا برای ساخت خازن بود. Charles Pollk مخترع اولین خازن الکترولیتی متوجه شد که لایه اکسید روی یک آند آلومینیومی در یک الکترولیت خنثی یا قلیایی باقی می ماند حتی زمانی که اتصالی برقرار نباشد. در سال 1896حق ثبت اختراع برای خازن الکتریکی مایع با الکترود آلومینیومی با شماره 672.913 اعطا شد. خازن های تانتالیوم الکترولیتی جامد در آزمایشگاه بل در اوایل دهه 1950 اختراع شد. با گسترش شیمی آلی مواد پلاستیکی نیز بهبود یافتند و در جنگ جهانی دوم در صنعت ساخت خازن به جای استفاده از فیلم پلیمری از کاغذ استفاده آن ها با نام سوپر خازن یاد می شود در سال 1957 اختراع شد. مخترع این خازن معتقد بود که انرژی به صورت بار در منافذ کربن ذخیره می شود و از آن جایی که مکانیزم خازن های دو لایه در آن زمان ناشناخته بود، او در ثبت اختراع خود نوشت: دقیقا مشخص نیست کدام محل برای ذخیره انرژی استفاده می شود، اما در نهایت منجر به ظرفیت بالایی می شود.