نسبت مقدار الکتریسیته ذخیره شده به اختلاف پتانسیل دو سر خازن را ظرفیت خازن می‌گویند. آن را با C نشان می‌دهند و واحد ظرفیت آن در SI ، فاراد است.

دید کلی

خازن یک از اجزای مدارهای الکترونیکی است که وقتی در مدار قرار می‌گیرد برخلاف مقاومت ، بارالکتریکی را از خود عبور نمی‌دهد، بلکه آن را در خود ذخیره می‌کند و به این دلیل کاربرد مهمی در مدار دارند. اگر خازن با صفحات موازی را در نظر بگیریم و یک گالوانومتر به آن وصل کنیم، بعد از بستن کلید برای مدت کوتاهی عبور جریانی را در مدار نشان می‌دهد.

جریان اخیر Q را روی یک صفحه خازن انباشته می‌کند و از صفحه دیگر بار Q+ را دور می‌کند و باعث می‌شود بار خالص Q- در آن باقی بماند، در چنین وضعیتی خازن بار Q را در خود ذخیره کرده ، هر چه اختلاف پتانسیل دو سر منبع بیشتر باشد مقدار باری که روی صفحات خازن انباشته می‌شود بیشتر خواهد بود، بطوری که نسبت Q به V برای یک خازن معین مقداری است ثابت، این مقدار ثابت را با C نمایش داده ، ظرفیت خازن می‌نامیم.

فاراد

واحد ظرفیت در SI فاراد است که با F نشان داده می‌شود و آن ظرفیت خازنی است که هرگاه اختلاف پتانسیل بین صفحات آن یک ولت باشد، بار ذخیره شده روی هر یک از صفحات یک کولن شود. واحدهای دیگر ظرفیت: میکروفاراد (F 10^-6) ، نانوفاراد و (F 10^-9) ، پیکوفاراد (F 10^-12).

پرکردن خازن

ساده‌ترین راه برای باردار کردن یک خازن این است که دو سر آن را به یک باتری متصل کنیم، جریانی که به هنگام بستن کلید برای بار اول تنها برای چند لحظه در مدار برقرار می‌شود بار را روی تیغه‌ها انباشته می‌کند. ظرفیت هر خازن محدود است، به همین دلیل خازن پس از گرفتن مقدار معینی بار (Q = CV) پر می‌شود. در این حالت با آنکه کلید همچنان بسته است جریانی از مدار عبور نمی‌کند، لذا نتیجه می‌گیریم که جریان مستقیم در مداری که شامل خازن است نمی‌تواند بطور دائمی برقرار باشد.

نمودار شدت جریان مدار با زمان

نمودار شدت جریان در مدار به هنگام پر شدن خازن کاهش می‌یابد و بار ذخیره شده در خازن برابر با مساحت زیر نمودار است.

تخلیه خازن

اگر خازن پر شده‌ای را در مدار قراردهیم خواهیم دید که هنگامی که کلید برای بار اول بسته می‌شود جریانی برای مدت کوتاهی در مدار برقرار می‌شود تا زمانی که بار روی صفحه‌های خازن وجود دارد جریان برقرار است، پس از آن جریان صفر می‌شود، در این موقع می گوییم که خازن خالی شده است.

عواملی که بر اندازه ظرفیت یک خازن اثر می‌گذارد

• ظرفیت خازن با فاصله دو صفحه از یکدیگر نسبت عکس دارد.
• ظرفیت خازن با مساحت بخشی از دو صفحه که در مقابل هم قرار دارد نسبت مستقیم دارد.
• اگر بین دو صفحه خازنی که عایق آن هواست، قطعه‌ای از یک ماده عایق قرار دهیم ظرفیت آن زیاد می‌شود. مقدار این افزایش به جنس ماده عایق بستگی دارد، ضریب این افزایش برای مواد مختلف را ثابت دی الکتریک آن ماده می‌نامند. ماده‌ای که برای پر کردن فضای بین دو صفحه خازن بکار می‌رود باید عایق خوبی باشد و برای آنکه ظرفیت خازن زیاد شود باید ثابت دی الکتریک بالایی داشته باشد. ظرفیت خازن دی الکتریک با صفحات موازی
  
  

C = Kε₀A/d که ε₀ = 8.85X10^-12 C²/Nm²
K به جنس ماده دی الکتریک بستگی دارد و برای هوا تقریبا 1 است.
برخی ثابت دی الکتریک متداول در جدول زیر آورده شده است.

دی الکتریکهای جامد شیشه 6 - 10 میکا 5.6 - 6.6 کاغذ پارافینی 2.1 - 2.3 پارافین (در Cْ 20) 2.1 - 2.5 دی الکتریکهای مایع الکل 25 روغن 2 - 2.2 آب 80 - 83 دی الکتریکهای گازی دی اکسید کربن 1.00097 هوا 1.00060 هیدروژن 1.00026

وجود ماده دی الکتریک چگونه باعث افزایش ظرفیت خازن می‌شود؟

بارهای مثبت و منفی که بر روی صفحه‌های خازن انباشته می‌شوند یک میدان الکتریکی یکنواخت در فضای بین دو صفحه برپا می‌کنند. هنگامی که یک ماده عایق در این میدان الکتریکی قرار می‌گیرد توزیع بارالکتریکی اتمهای آن به دلیل نیروهایی که در میدان الکتریکی بر بارهای الکتریکی وارد می شود اندکی تغییر می‌کند. دو سطح تیغه دی الکتریک یکی بار مثبت و دیگری بار منفی بدست می‌آورد. وجود این بارها باعث می‌شود که خازن بتواند به ازای اختلاف پتانسیل ثابتی ، بار بیشتری روی صفحه‌های خود انباشته کند، زیرا بارهای مثبت و منفی روی دو سطح دی الکتریک اکنون می‌توانند بارهای بیشتری بسوی صفحه‌های خازن بکشانند، یعنی دی الکتریک ظرفیت خازن را افزایش می‌دهد.

محاسبه ظرفیت خازن

برای محاسبه ظرفیت خازن ابتدا از قانون گاوس استفاده کرده، برای این منظور سطح گاوسی فرضی مناسبی اختیار کنید، با استفاده از این روش E بدست می‌آید (E.ds = q/ε₀∫).
پس توسط رابطه (V = -∫E.ds) ، اختلاف پتانسیل را بدست آورده و آن را در رابطه Q = CV قرار دهید، با این روش C بدست می‌آید. برای مثال برای خازن استوانه‌ای و کروی به روش فوق بدست می‌آوریم:

ظرفیت خازن کروی

خازنی که از دو صفحه کروی تو در تو با بارهای مخالف بوجود آمده است، برابر است با (C=4πε₀ ab/(b-a که a شعاع کره کوچکتر و b شعاع کره بزرگتر است.

ظرفیت خازن استوانه‌ای

خازنی که از دو صفحه استوانه‌ای تو در تو با بارهای مخالف بوجود آمده است.
(C=2πε₀ l/ln(b/a که a و b شعاع سطح مقطع استوانه‌ها و l طول استوانه است.

ظرفیت یک کره متروی

پتانسیل یک کره رسانای متروی به شعاع R و حامل بار q برابر V = q/4πε₀R این کره را می‌توان مانند یکی از صفحات خازنی در نظر گرفت که صفحه دیگر آن کره رسانایی به شعاع بی‌نهایت و V بر روی این کره در بی نهایت صفر است، پس ظرفیت این کره C = 4πε₀R است.

مباحث مرتبط با عنوان

• آزمایش تعیین ظرفیت خازن با پل وتستون
• اختلاف پتانسیل الکتریکی
• بهم بستن خازنها
• ثابت دی الکتریک
• خازن
• خازن استوانه‌ای
• خازن تخت
• خازن شیمیایی
• خازن کروی
• دی الکتریکها
• مقاومت الکتریکی
• میدان الکتریکی