انرژی الکتریکی در مدارهای خازنی - مشکلات و راه حل ها
۱. انرژی الکتریکی را در مدار نشان داده شده در شکل زیر تعیین کنید (۱ میکروفاراد = ۱۰ به توان منفی ۶ فارنهایت)
شناخته شده:
خازن ۱ (سی1) = 3 میکروفاراد 
خازن ۵ (C2 ) = ۴ میکروفاراد
خازن ۵ (C3 ) = ۴ میکروفاراد
خازن ۵ (C4 ) = ۴ میکروفاراد
خازن ۵ (C5 ) = ۴ میکروفاراد
ولتاژ الکتریکی (ولت) = ۵ ولت
جستجو: انرژی الکتریکی در مدارها
راه حل :
خازن معادل:
خازن ۲ و خازن ۳ به صورت موازی متصل شدهاند . خازن معادل:
C A = C2 + C3 = 1 + 2 = 3 میکروفاراد
خازن ۱، خازن A و خازن ۴ به صورت سری به هم متصل شدهاند . خازن معادل:
۱/سی بی = ۱/سی ۱ + ۱/سی ای + ۱/سی ۴ = ۱/۳ + ۱/۳ + ۱/۶ = ۲/۶ + ۲/۶ + ۱/۶ = ۵/۶
سی بی = ۶/۵ میکروفاراد
خازن B و خازن ۵ به صورت موازی متصل شدهاند. خازن معادل:
C = C B + C 5 = 6/5 + 4 = 6/5 + 16/4 = 24/20 + 80/20 = 104/20 = 5.2 میکروفاراد
C = 5.2 x 10 -6 فاراد
انرژی الکتریکی در مدار:
E = ½ CV 2 = ½ (5.2 x 10 -6 )(5 2 ) = (2.6 x 10 -6 )(25)
E = 65 x 10 -6 ژول
۲. انرژی الکتریکی را در مدارهای خازنی نشان داده شده در شکل زیر تعیین کنید (۱ میکروفاراد = ۱۰ به توان منفی ۶ فاراد)
شناخته شده:
خازن ۲ (C)1) = 4 میکروفاراد 
خازن ۵ (C2 ) = ۴ میکروفاراد
خازن ۵ (C3 ) = ۴ میکروفاراد
خازن ۵ (C4 ) = ۴ میکروفاراد
خازن ۵ (C5 ) = ۴ میکروفاراد
ولتاژ الکتریکی (ولت) = ۴۰ ولت
جستجو: انرژی الکتریکی در مدارها
راه حل :
خازن معادل:
خازن ۱، خازن ۲ و خازن ۳ به صورت سری به هم متصل شدهاند. خازن معادل:
۱/C A = ۱/C ۱ + ۱/C ۲ + ۱/C ۳ = ۱/۴ + ۱/۶ + ۱/۱۲ = ۳/۱۲ + ۲/۱۲ + ۱/۱۲ = ۶/۱۲
C A = 12/6 = 2 میکروفاراد
خازن ۴ و خازن ۵ به صورت سری به هم متصل شدهاند. خازن معادل:
۱/سی بی = ۱/سی ۴ + ۱/سی ۵ = ۱/۲ + ۱/۲ = ۲/۲
سی بی = ۲/۲ = ۱ میکروفاراد
خازن A و خازن B به صورت موازی. خازن معادل:
C = C A + C B = 2 + 1 = 3 میکروفاراد
C = 3 x 10 -6 فاراد
انرژی الکتریکی در مدارها:
E = ½ CV 2 = ½ (3 x 10 -6 )(40 2 ) = (1.5 x 10 -6 )(1600)
E = 2400 x 10 -6 = 2.4 x 10 -3 ژول
۳. انرژی ذخیره شده در مدار الکتریکی نشان داده شده در شکل زیر را تعیین کنید.
شناخته شده:
خازن ۲ (C)1) = 4 فارنهایت 
خازن ۵ (C2 ) = ۲ F
خازن ۵ (C3 ) = ۲ F
خازن ۵ (C4 ) = ۲ F
خازن ۵ (C5 ) = ۲ F
ولتاژ الکتریکی (ولت) = ۴۰ ولت
جستجو: انرژی الکتریکی در مدارها
راه حل :
خازن معادل:
خازن ۱، خازن ۲ و خازن ۳ به صورت موازی متصل شدهاند. خازن معادل:
C A = C 1 + C 2 + C 3 = 4 + 4 + 4 = 12 F
خازن ۴ و خازن ۵ به صورت موازی متصل شدهاند. خازن معادل:
سی بی = سی ۴ + سی ۵ = ۴ + ۲ = ۶ اف
خازن A و خازن B به صورت سری به هم متصل شدهاند. خازن معادل:
۱/C = ۱/C A + ۱/C B = ۱/۱۲ + ۱/۶ = ۱/۱۲ + ۲/۱۲ = ۳/۱۲
C = 12/3 = 4 فاراد
انرژی الکتریکی در مدارها:
E = ½ CV 2 = ½ (4) (12 2 ) = (2) (144)
E = 288 ژول
۱. سوال: انرژی چگونه در خازن ذخیره میشود؟
پاسخ: انرژی در یک خازن در میدان الکتریکی بین صفحات آن ذخیره میشود. هنگامی که ولتاژی به دو سر خازن اعمال میشود، بارهای مثبت روی یک صفحه و بارهای منفی روی صفحه مقابل جمع میشوند و یک میدان الکتریکی ایجاد میکنند.
۲. سوال: فرمول انرژی ذخیره شده در خازن چیست؟
پاسخ: انرژی (U) ذخیره شده در یک خازن از رابطهی �=12��2 بدست میآید که در آن C ظرفیت خازنی و V ولتاژ دو سر خازن است.
۳. سوال: وقتی ولتاژ دو برابر میشود، انرژی ذخیره شده در خازن چه میشود؟
پاسخ: از آنجایی که انرژی با مجذور ولتاژ (V^2) متناسب است، وقتی ولتاژ دو برابر شود، انرژی چهار برابر افزایش مییابد.
۴. سوال: چرا یک خازن شارژ شده حتی اگر از منبع ولتاژ خود جدا شده باشد، میتواند خطرناک باشد؟
پاسخ: یک خازن شارژ شده میتواند انرژی ذخیره شده خود را حتی در صورت قطع شدن از منبع ولتاژ خود حفظ کند. اگر یک هادی (یا یک شخص) با ترمینالهای آن تماس پیدا کند، انرژی ذخیره شده میتواند به سرعت آزاد شود و به طور بالقوه باعث آسیب یا خسارت شود.
۵. سوال: اگر ظرفیت خازن با ثابت نگه داشتن ولتاژ نصف شود، انرژی ذخیره شده در آن چگونه تغییر میکند؟
پاسخ: اگر ظرفیت خازن نصف شود و ولتاژ ثابت بماند، انرژی ذخیره شده نیز نصف خواهد شد، زیرا انرژی با ظرفیت خازن نسبت مستقیم دارد.
۶. سوال: ماده دیالکتریک چه نقشی در خازن دارد؟
پاسخ: ماده دی الکتریک با کاهش میدان الکتریکی مؤثر بین صفحات، ظرفیت خازن را افزایش میدهد و همچنین از رسانایی بار بین صفحات جلوگیری میکند.
۷. سوال: در یک مدار خازن سری، ظرفیت کل در مقایسه با ظرفیتهای تک تک خازنها چگونه است؟
پاسخ: در یک آرایش سری، معکوس ظرفیت کل (1/C_total) برابر با مجموع معکوس ظرفیتهای تکی است. این بدان معناست که ظرفیت کل در یک پیکربندی سری همیشه کمتر از کوچکترین ظرفیت در سری است.
۸. سوال: ظرفیت کل خازنها برای خازنهای موازی چگونه محاسبه میشود؟
پاسخ: برای خازنهای موازی، ظرفیت کل برابر با مجموع ظرفیتهای تک تک خازنها است.
۹. سوال: چرا خازن جریان مستقیم (DC) را مسدود میکند اما به جریان متناوب (AC) اجازه عبور میدهد؟
پاسخ: خازن جریان مستقیم (DC) را مسدود میکند زیرا وقتی کاملاً شارژ شد، دیگر جریانی نمیتواند جریان داشته باشد. با این حال، در جریان متناوب (AC)، ولتاژ به طور مداوم در حال تغییر است و باعث میشود خازن شارژ و دشارژ شود و جریان مؤثری را عبور دهد.
۱۰. سوال: اگر خازن به باتری متصل شود و قبل از رسیدن به شارژ کامل جدا شود، چه اتفاقی برای ولتاژ آن میافتد؟
پاسخ: خازن ولتاژی را که در لحظه قطع اتصال داشته است، حفظ میکند و تا زمانی که دوباره به منبع تغذیه متصل نشود، شارژ بیشتری نخواهد داشت.
