تعریف خازن صفحات موازی
خازن صفحه موازی، خازنی است که از دو صفحه رسانای موازی تشکیل شده است، هر صفحه دارای سطح مقطع مساوی (A) و دو صفحه که با فاصله مشخصی (d) از هم جدا شده‌اند، همانطور که در شکل سمت چپ نشان داده شده است. یکی از صفحات رسانا دارای بار مثبت (+Q) و صفحه رسانای دیگر دارای بار منفی (-Q) است، که در آن مقدار شارژ الکتریکی در هر صفحه برابر است. به طوری که بار به مولکول هوا منتقل نشود، خازن از محیط جدا شده است و بین دو صفحه، خلاء وجود دارد.
تفاوت در نوع بارهای الکتریکی در هر دو صفحه هادی، یک میدان الکتریکی و اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو صفحه ایجاد می‌کند. صفحه با بار مثبت پتانسیل الکتریکی بالاتری دارد، در حالی که صفحه با بار منفی پتانسیل الکتریکی کمتری دارد. همانطور که در مبحث پتانسیل الکتریکی توضیح داده شد، اگر اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو صفحه خازن وجود داشته باشد، در خازن انرژی پتانسیل الکتریکی وجود دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده در خازن‌ها کاربردهای زیادی دارد.
عوامل مؤثر بر ظرفیت خازن صفحه موازی
خازن در ابتدا از نظر الکتریکی باردار یا خنثی نیست. برای شارژ شدن، شارژ خازن با اتصال خازن به یک منبع ولتاژ مانند باتری با استفاده از کابل انجام می‌شود. یکی از صفحات هادی به قطب مثبت باتری و صفحه هادی دیگر به قطب منفی باتری متصل است.
به یاد داشته باشید که بارهای همنام یکدیگر را دفع می‌کنند، در حالی که بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. الکترون‌ها بار منفی دارند و به راحتی حرکت می‌کنند زیرا روی سطح اتم هستند، در حالی که پروتون‌ها بار مثبت دارند و به دلیل قرار گرفتن در هسته اتم نمی‌توانند حرکت کنند. اگر صفحه رسانا پروتون‌های بیشتری نسبت به الکترون‌ها داشته باشد، صفحه بار مثبت دارد، برعکس، اگر تعداد الکترون‌ها بیشتر از پروتون‌ها باشد، صفحه بار منفی دارد.
پس از اتصال خازن به باتری، قطب مثبت باتری بار مثبت پیدا می‌کند. به طوری که الکترون‌ها را از صفحه هادی می‌کشد، در حالی که قطب منفی باتری بار منفی پیدا می‌کند به طوری که الکترون‌ها را به صفحه هادی پس می‌دهد. جابجایی الکتریکی بین باتری و صفحه هادی باعث می‌شود که صفحه هادی الکترون از دست بدهد و بار مثبت پیدا کند و صفحه هادی الکترون دریافت کند و بار منفی پیدا کند. حرکت الکترون‌ها پس از اینکه اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو صفحه هادی برابر با اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو قطب باتری شد، متوقف می‌شود.
وظیفه خازن ذخیره بار الکتریکی و انرژی پتانسیل الکتریکی است. به میزان توانایی خازن در ذخیره بار الکتریکی و انرژی پتانسیل الکتریکی، ظرفیت خازن گفته می‌شود. هرچه الکتریسیته بیشتری ذخیره شود، انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده نیز بیشتر و ظرفیت خازن بیشتر می‌شود. چه عواملی بر ظرفیت خازن صفحات موازی تأثیر می‌گذارند؟
مساحت سطح صفحه هادی
خازن صفحه موازی، بار الکتریکی را روی صفحه هادی ذخیره می‌کند. اگر سطح صفحه کوچک باشد، بار الکتریکی کمی ذخیره می‌شود، در غیر این صورت اگر سطح صفحه بزرگ باشد، بار الکتریکی زیادی ذخیره می‌شود. هرچه بارهای الکتریکی بیشتری روی صفحه هادی ذخیره شوند، انرژی پتانسیل الکتریکی خازن بیشتر می‌شود. بنابراین، هرچه انرژی پتانسیل الکتریکی خازن بیشتر باشد، ظرفیت خازن نیز بیشتر است. بر اساس این بررسی، می‌توان نتیجه گرفت که ظرفیت خازن (C) متناسب با مساحت سطح صفحه هادی (A) است.
فاصله بین دو صفحه هادی
انتقال الکترون‌ها پس از اینکه اختلاف پتانسیل بین دو صفحه هادی برابر با اختلاف پتانسیل بین دو قطب باتری شد، متوقف می‌شود. چگونه می‌توان بار الکتریکی را در هر دو صفحه هادی افزایش داد؟ یک راه، کاهش فاصله بین دو هادی (به حداقل رساندن d) است. وقتی دو هادی به هم نزدیک می‌شوند، مقدار بار الکتریکی ثابت می‌ماند به طوری که میدان الکتریکی تولید شده توسط بار الکتریکی ثابت می‌ماند. بر اساس معادله V = E d، وقتی میدان الکتریکی (E) ثابت باشد، اگر فاصله بین دو صفحه هادی کاهش یابد (d)، اختلاف پتانسیل الکتریکی (V) کاهش می‌یابد.
اختلاف پتانسیل بین دو صفحه هادی کاهش می یابد به طوری که از اختلاف پتانسیل بین دو قطب باتری کوچکتر می شود.این امر باعث جابجایی مجدد الکترون ها تا زمانی که بار الکتریکی هر صفحه هادی افزایش یابد، می شود.انتقال الکترون ها پس از اینکه اختلاف پتانسیل بین دو صفحه برابر با اختلاف پتانسیل بین دو قطب باتری شد، متوقف می شود.
وقتی فاصله بین دو صفحه رسانا کاهش می‌یابد، بار الکتریکی روی هر صفحه افزایش می‌یابد، بنابراین انرژی پتانسیل الکتریکی خازن نیز افزایش می‌یابد. اگر انرژی پتانسیل الکتریکی خازن افزایش یابد، ظرفیت خازن نیز افزایش می‌یابد. اگر فاصله کاهش یابد، بار افزایش می‌یابد، بنابراین ظرفیت خازن افزایش می‌یابد، وقتی فاصله افزایش می‌یابد، بار کاهش می‌یابد، بنابراین ظرفیت خازن کاهش می‌یابد. می‌توان نتیجه گرفت که ظرفیت خازن (C) با فاصله بین دو صفحه رسانا (d) نسبت معکوس دارد.
معادله ظرفیت خازن صفحات موازی
پیش از این، مواردی که بر ظرفیت خازن‌های صفحه موازی تأثیر می‌گذارند، توضیح داده شده است. مقدار ظرفیت را می‌توان به وضوح از طریق محاسبات با استفاده از معادله مشخص کرد. در مبحثی در مورد تعیین میدان الکتریکی با استفاده از قانون گاوس، فرمول محاسبه میدان الکتریکی در نزدیکی صفحه هادی باردار الکتریکی E = σ / ε است.oکه در آن σ = Q / A است به طوری که معادله میدان الکتریکی به E = Q/A: ε تغییر می‌کند.o = Q/A x 1/εo = Q / A εoمعادله پتانسیل الکتریکی V = E d است، که در آن E = Q / A εo به طوری که معادله به V = Q d / A ε تغییر می‌کند.oمعادله ظرفیت خازنی C = Q/V است، که در آن V = Q d / A εo به طوری که معادله ظرفیت به C = Q: Q d / A ε تغییر می‌کند.o = Q x A εo / Q d = A εo / د.
بر اساس معادله‌ی ظرفیت خازنی C = A ε o / d می‌توان نتیجه گرفت که ظرفیت خازنی (C) با مساحت سطح (A) متناسب و با فاصله (d) بین دو صفحه‌ی رسانا نسبت عکس دارد.
E = میدان الکتریکی، σ = چگالی بار، ε o = گذردهی خلأ = 8.85 x 10 -12 F/m، Q = بار الکتریکی، A = مساحت سطح صفحه رسانا، V = اختلاف پتانسیل الکتریکی.
