چرا خازن از عبور جریان dc جلوگیری می کند؟
فهرست مطالب
خازن یکی از عناصر غیرفعال مدارهای الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به صورت میدان الکترواستاتیکی بین دو صفحه رسانا ذخیره می‌کند. یکی از رفتارهای بسیار مهم خازن این است که در برابر عبور جریان مستقیم (DC) مقاومت می‌کند و اجازه عبور جریان دائم DC را نمی‌دهد.
اما چرا این اتفاق می‌افتد؟ پاسخ این سؤال را باید از دو دیدگاه بررسی کنیم:
دیدگاه فیزیکی و تحلیل مدار معادل (مدار الکتریکی)
- دیدگاه فیزیکی: ساختار خازن چگونه عمل می‌کند
خازن از دو صفحه‌ی رسانا تشکیل شده که بین آن‌ها یک ماده عایق (دی‌الکتریک) قرار دارد. به دلیل وجود این عایق، هیچ ارتباط الکتریکی مستقیمی بین صفحات وجود ندارد.
وقتی ولتاژ DC به دو سر خازن اعمال می‌شود:
- الکترون‌ها از منبع ولتاژ به صفحه منفی خازن هدایت می‌شوند و در آنجا تجمع پیدا می‌کنند.
- به‌صورت همزمان، از صفحه مثبت خازن الکترون‌ها رانده می‌شوند (جای آن‌ها خالی می‌شود) تا تعادل میدان الکتریکی برقرار شود.
- این فرآیند تا زمانی ادامه دارد که خازن “شارژ” شود، یعنی اختلاف پتانسیل بین صفحات با ولتاژ منبع برابر شود.
در این لحظه:
- جریان قطع می‌شود
- خازن دیگر جریانی عبور نمی‌دهد
- مدار به حالت ایستا می‌رسد
- دیدگاه الکتریکی: مدل ریاضی و مدار معادل
از دید تحلیل مدار، جریان عبوری از خازن با فرمول زیر تعیین می‌شود:
I = C × (dV/dt)
که در آن:
- I جریان لحظه‌ای عبوری از خازن
- C ظرفیت خازن
- dV/ نرخ تغییر ولتاژ نسبت به زمان
حالا نکته مهم اینجاست:
در مدار DC، ولتاژ ثابت است و تغییر نمی‌کند ⇒ بنابراین:
dV/dt = 0 ⇒ I = 0
یعنی:
در یک مدار DC پایدار (بعد از شارژ کامل خازن)، هیچ جریانی از خازن عبور نمی‌کند. به زبان ساده‌تر: خازن برای جریان DC مانند مدار باز (Open Circuit) عمل می‌کند.
رفتار لحظه‌ای خازن در DC
البته توجه کن که در لحظه‌ی اول اتصال خازن به منبع DC، یک جریان گذرا برقرار می‌شود که فقط برای شارژ کردن خازن است. این جریان وابسته به ظرفیت خازن و مقاومت مدار است. اما بعد از شارژ کامل:
- ولتاژ روی دو سر خازن برابر با ولتاژ منبع می‌شود
- جریان قطع می‌شود
- مدار وارد حالت پایدار می‌شود
مقایسه با جریان متناوب (AC)
در جریان AC، ولتاژ پیوسته تغییر می‌کند (مثلاً سینوسی است) بنابراین:
dV/dt ≠ 0 ⇒ I ≠ 0
در نتیجه، خازن به جریان AC اجازه عبور می‌دهد (به‌ویژه فرکانس‌های بالا) و حتی در فیلترها، تطبیق امپدانس و کاربردهای RF بسیار مؤثر است.
| نوع جریان | رفتار خازن | دلیل اصلی |
|---|---|---|
| DC | پس از شارژ اولیه، جریان را قطع می‌کند | چون اختلاف ولتاژ ثابت است ⇒ dV/dt = 0 |
| AC | اجازه عبور می‌دهد | چون ولتاژ پیوسته در حال تغییر است ⇒ dV/dt ≠ 0 |
کاربرد واقعی این ویژگی در طراحی مدار
- جداکننده DC (DC Block): خازن در مسیر سیگنال قرار می‌گیرد تا فقط مؤلفه AC عبور کند. (مثلاً در ورودی آمپلی‌فایر صوتی)
- فیلتر کردن نویز DC: خازن‌ها در کنار بارهای DC قرار می‌گیرند تا نویزهای AC را بای‌پس کنند.
منبع تغذیه: در رگولاتورها و منابع سوئیچینگ برای حذف نوسانات و گذراها.
