شناخت و كاربردها
ويژه‌ي مربيان |
هدف از اين زنگ تفريح، افزايش «دانش اصطلاح‌ها» و «دانش واقعيت‌هاي مشخص» (شرح تاريخچه) از جمله اهداف مربوط به «دانش امور جزوي» است.
سرفصل‌هاي المپياد جهاني كه پوشش داده شده عبارت است از: مغناطيس، خازن و جريان.
دانش‌آموز پس از مطالعه‌ي اين زنگ تفريح به امور ذيل قادر خواهد شد:
| - درك مفاهيم پايه | | | - آشنايي با تاريخچه‌ي خازن‌ها | | - آشنايي با كاربردها |
|
پتانسيل ذخيره‌سازي يك خازن، يا ظرفيت، برحسب واحدي به‌نام «فاراد» بيان مي‌شود. خازن يك فارادي مي‌تواند يك كولن بار را در يك ولت مي‌تواند ذخيره‌سازي كند. يك كولن معادل يك الكترون است. يك آمپر ميزان الكترون جاري در يك ثانيه را نشان مي‌دهد (يك كولن الكترون در ثانيه). بنابراين خازن يك فارادي مي‌تواند 1 آمپر - ثانيه الكترون را در يك ولت ذخيره‌سازي كند. خازن يك فارادي ممكن است به نسبت نوع مشابه بسيار هم بزرگ باشد (به‌اندازه‌ي يك قوطي تن‌ماهي يا بطري يك ليتري شير). اين اندازه بستگي دارد به ولتاژي كه قرار است مورد استفاده قرار گيرد. خازن‌ها معمولا برحسب ميكروفاراد هستند (يك ميليونيم يك فاراد).
براي اين‌كه بتوانيد اين نسبت را تصور كنيد به موارد ذيل توجه كنيد:
| - يك باطري AA قليايي استاندارد، تا حدود 8/2 آمپر - ساعت كار مي‌كند. |
| - اين بدان معناست كه اين باطري مي‌تواند 8/2 آمپر براي يك ساعت با ولتاژ 5/1 كار كند (حدود 2/4 وات – ساعت). اين باطري مي تواند لامپ 4 واتي را حدود يك ساعت يا بيش‌تر روشن نگه دارد. |
| - براي اين‌كه به زبان روان‌تر از آن نام ببريم، آن را يك ولتي مي‌ناميم. براي ذخيره‌سازي انرژي اين باطري در يك خازن، نياز به 10080=3600×8/2 فاراد داريم؛ زيرا يك آمپر – ساعت، 3600 آمپر ثانيه است. |
 | اگر اين خازن اندازه‌ي يك تن‌ماهي را داشته باشد، 10080 فاراد فضاي بيش‌تري مي‌گيرد تا يك باطري AA! به‌تجربه خازن را مي‌توان در چنين حالتي براي ذخيره‌سازي هر مقدار ظرفيت (يا توان) كه نياز داريم استفاده كنيم، مگر اين‌كه در ولتاژهاي بالا بخواهيم كار كنيم. |
فرق بين يك خازن و يك باطري در اين است كه يك خازن مي‌تواند كُل بار خود را در كسري از يك ثانيه ذخيره‌سازي كند، در حالي كه باطري چند دقيقه طول مي‌كشد تا كاملا دشارژ شود. به‌همين علت است كه فلاش‌هاي الكترونيكي در دوربين‌هاي عكاسي با خازن كار مي‌كنند (باطري مدت بيش‌تري طول مي‌كشد تا فلاش را براي كار آماده كند. در فلاش‌ها خازن كُل بار را تقريبا هم‌زمان به لوله‌ي فلاش مي‌برد. اين خازن را خطرناك مي‌كند، چراكه مقدار زيادي بار ناگهان وارد لوله‌ي فلاش مي‌شود. فلاش‌ها و حتي تلويزيون هشدارهايي كارخانه‌اي درباره‌ي بازكردن آن‌ها دارند. آن‌ها شامل تعداد زيادي خازن هستند كه به‌راحتي مي‌توانند باعث مرگ شوند. خازن‌ها را در مدارهاي الكترونيكي به چند شكل استفاده مي‌كنند:
| - گاهي خازن‌ها را براي ذخيره‌سازي بار در سرعت‌هاي بالا استفاده مي‌كنند. در ليزرهاي بزرگ از اين تكنيك براي رسيدن به حدي كه بتوانند فلاش‌هاي قوي داشته باشند، استفاده مي‌شود. |
| - خازن‌ها براي تشخيص امواج نيز به‌كار مي‌روند. اگر يك خط ولتاژ DC داشته باشيم، امواج يا ولتاژهاي كوتاه‌مدت در آن ايجاد مي‌شود. يك خازن بزرگ حتي مي‌تواند ولتاژ را به‌وسيله‌ي جذب اوج و فرودهاي جريان داشته باشد. |
| - يك خازن مي‌تواند ولتاژ DC را قطع كند. اگر يك خازن را به يك باطري وصل كنيد، هيچ جرياني بين قطب‌هاي باطري در حين شارژ خازن جاري نخواهد شد. با اين حال هر جريان متناوبي (AC) از يك خازن مي‌تواند جاري شود. به‌همين علت است كه خازن مسدود شده در حالي جريان متناوب برقرار است، شارژ و دشارژ مي‌شود. در نتيجه متوجه حضور جريان متناوب مي‌شويم. |
 | صفحه‌هاي لمسي خازني يكي از كاربردهاي خازن‌ها در آينده صفحه‌هاي لمسي خازني است. آن‌ها شيشه‌هايي هستند كه رويه‌ي بسيار نازك فلزي و شفافي دارند. يك الكترود نوعي كه وقتي صفحه‌ي آن را لمس مي‌كنيم، شارژ مي‌شود. جرياني وارد انگشت ما شده و سقوط ولتاژ روي مي‌دهد. اين سقوط ولتاژ را يك كنترل‌كننده گرفته، و به رايانه منتقل مي‌كند. اين صفحه‌هاي لمسي در ساختارهاي فعال رايانه‌اي و اخيرا در سيستم‌هايي نظير: حافظه‌هاي جانبي به‌كار گرفته شده‌اند. |
تاريخچه‌ي خازن‌ها بسته به كسي دارد كه از آن سؤال مي‌كنيد! آن‌چه مي‌دانيم اين‌است كه دانشمندي آلماني به‌نام «اوالد جرج فون كلايست» (George Von Kliest) خازن را در سال 1124 (1745 ميلادي) اختراع كرد. چند ماه بعد «پيتر فان ماسچنبروك» (Peter Van Maschenbrok)، استاد آلماني در دانشگاه ليدن، ابزار مشابهي را به‌نام «بطري ليدن» (Liden Bottle) ساخت كه در واقع اولين خازن كامل به حساب مي‌آيد. ولي از جايي كه كلايست هيچ‌گاه مطلبي در اين باره ننوشت و جزويات كارش را ثبت نكرد، او را فقط توسعه‌دهنده‌ي خازن مي‌دانند. با اين حال بعد از سال‌ها هر دو به يك ميزان توانستند اعتبار كسب كنند زيرا به گونه‌اي كارشان مكمل هم بود.
بطري ليدن ابزاري بسيار ساده بود يك بطري شيشه‌اي كه تا نيمه با آب و در بيرون و درون آن فويل فلزي كشيده شده بود. شيشه نقش «دي‌الكتريك» را داشت، اگرچه زماني چنين تصور مي‌شد كه آب اساسي‌ترين ماده‌ي لازم براي آن بود. يك سيم يا زنجير فلزي از در چوب پنبه‌اي بطري مي‌گذشت. زنجير به جسمي باردار وصل بود كه دقيقا شبيه يك ژنراتور هندلي استاتيكي كار مي‌كرد. وقتي جسم باردار مي‌شد، بطري در تعادل باري دوبار مخالف قرار مي‌گرفت كه هر دو به سيمي متصل بودند و جرقه يا شوكي زده مي‌شد.
|
«بنيامين فرانكلين» (Benyamin Franklin) در آزمايش‌هاي برق با بطري ليدن كار مي‌كرد و خيلي زود فهميد كه شيشه‌ي تختي هم مي تواند به‌خوبي مدل بطري كار كند. بنابراين بر روي خازن‌هايي كار كرد كه امروزه «خازن تخت» يا «مربع فرانكلين» (Franklin Square) ناميده مي‌شوند.
چند سال بعد، فيزيكدان انگليسي، «مايكل فارادي» (Micheal Faraday) پيشرو در اولين كاربردهاي تجربي خازن‌ها شد. او اين كار را با الكترون‌هاي ذخيره شده‌ي استفاده نشده در آزمايش‌هاي خود انجام داد. همين كار سبب شد كه اولين خازن‌هاي كاربردي از بشكه‌هاي نفت بزرگ به‌كار گرفته شدند. پيشرفت فارادي در خازن‌ها بود كه امروزه توانسته ما را قادر سازد تا برق را به نقاط دوردست منتقل كنيم. يكي از دستاوردهاي فارادي در حوزه‌ي برق، واحد اندازه‌گيري خازن‌ها يا همان ظرفيت بود. اين واحد خيلي زود به‌نام خود وي «فاراد» نام گرفت.