فاراد
در سال 1746 در لیدن، پیتر فان موسخنبروک در یک بطری شیشه‌ای آب ریخت و سیمی در آن فرو برد. آن را با یک ماشین الکتریکی باردار کردند. دستیارش بطری را در یک دست گرفته بود و با دست دیگر به سیم دست زد. ضربه چنان شدید بود که موسخنبروک به همکاری نوشت: به هیچ قیمتی این آزمایش را تکرار نخواهد کرد.
بطری نخستین خازن از آب درآمد: آبِ درون و دستِ بیرون دو صفحهٔ آن بودند و شیشهٔ میانشان عایق. اینکه صفحه‌ها در ولتاژی معین چه مقدار بار نگه می‌دارند را ظرفیت نشان می‌دهد. یک فاراد ظرفیتی است که ولتاژ 1 V به آن بار 1 C می‌دهد. این بسیار زیاد است: ظرفیت کل زمین، اگر آن را یک کره بگیریم، حدود 710 µF است.
| نشانه | F |
| تعریف | کولن بر ولت · C/V · kg⁻¹·m⁻²·s⁴·A² |
| مقادیر مرجع | ε₀ — 8,854 187 8·10⁻¹² F/m · کره‌ای به شعاع 1 m — 111 pF · زمین به‌عنوان کره — حدود 710 µF |
| وارد شد | 1881، کنگرهٔ بین‌المللی برق در پاریس · در SI از سال 1960 |
| استانداردها | ISO 80000-6 · IEC 60384 · IEC 60062 · SI Brochure 9th ed. |
| مقدارهای نمونه | 10 pF — پراب اسیلوسکوپ · 100 nF — کنار پایه‌های تراشه · 3000 F — ابرخازن |
01 · تعریف
یک کولن برای هر ولت
ظرفیت C نشان می‌دهد چه مقدار بار باید روی رسانا گذاشت تا ولتاژش یک ولت بالا برود. ساده‌ترین راه دیدنش دو صفحه است. به یکی بار مثبت می‌رسد و به دیگری منفی، و میانشان میدان پدید می‌آید. هرچه صفحه‌ها بزرگ‌تر و به هم نزدیک‌تر باشند، در همان ولتاژ بار بیشتری در خود جا می‌دهند.
عایق میان صفحه‌ها ظرفیت را افزایش می‌دهد. مولکول‌هایش در میدان می‌چرخند و بخشی از آن را خنثی می‌کنند. شیشه ظرفیت را حدود 7 برابر می‌کند و سرامیک تیتانات باریم هزار برابر و بیشتر. انرژی ذخیره‌شده با مجذور ولتاژ بالا می‌رود.
«104» روی یک خازن کوچک یعنی چه
روی قرص سرامیکی سه رقم و یک حرف جا می‌شود. دو رقم نخست آغاز عددند. رقم سوم می‌گوید چند صفر باید به آن افزود. همه با هم ظرفیت را بر حسب پیکوفاراد می‌دهند. حرفِ پس از رقم‌ها رواداری است. رقم‌ها را برگزینید تا ظرفیت با حدودش در پایین نمایان شود.
برای گرفتن 1 F از دو صفحه با فاصلهٔ هوایی 1 mm، هر صفحه باید 113 km² مساحت داشته باشد. کره‌ای منزوی با ظرفیت 1 F شعاعی برابر 9 میلیون km می‌داشت. ابرخازن‌ها این مشکل را به شیوهٔ دیگری دور می‌زنند. بار در آن‌ها روی سطح کربن متخلخل می‌نشیند و فاصلهٔ میان بارها حدود یک نانومتر است. یک گرم از چنین کربنی صدها متر مربع سطح دارد.
چرا وقتی شیشه را از خازن بیرون می‌کشند جرقه می‌زند
در سمت چپ منبع ولتاژ بالا تا 15 kV است؛ این منبع از راه مقاومت 100 MΩ دو صفحهٔ مربعی 20 × 20 cm را باردار می‌کند. صفحهٔ قرمز مثبت است و صفحهٔ فیروزه‌ای منفی. خط‌های زرد میدان میان آن‌هایند: هرچه خط‌ها فشرده‌تر، میدان قوی‌تر. در سمت راست صفحه‌ها ستونی میدان را با استقامت هوا، حدود 3 kV/mm، مقایسه می‌کند. می‌توان عایقی را میان صفحه‌ها لغزاند. ذره‌بین سمت راست مولکول‌های آن را نشان می‌دهد: سر قرمز مثبت است و سر فیروزه‌ای منفی. منبع را می‌توان جدا کرد: آن‌گاه بار راهی برای رفتن ندارد. دکمهٔ «تخلیه» انرژی را به لامپ می‌دهد.
منبع صفحه‌ها را باردار می‌کند.
02 · تبدیل
| یکا | مقدار | کجا دیده می‌شود |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
«MFD» روی خازن‌های قدیمی یعنی میکروفاراد، نه میلی‌فاراد. پیکوفاراد را «MMFD» می‌نوشتند — میکرومیکروفاراد.
ابرخازن 3000 F در 2,7 V حدود 11 kJ ذخیره می‌کند. این تقریباً به اندازهٔ یک باتری قلیایی AA است.
ظرفیت کل زمین، حدود 710 µF، از ظرفیت یک خازن صافی 1000 µF در منبع تغذیه کمتر است.
03 · مرتبه‌های بزرگی
04 · ابزارهای اندازه‌گیری
05 · قواعد نگارش
06 · یکاهای همسایه
07 · بخش تاریخی
در سال 1956 اندرو تامپسون و داگلاس لمپارد خازنی یافتند که ظرفیتش را می‌توان محاسبه کرد. چهار استوانهٔ بلند در گوشه‌های یک مربع ایستاده‌اند. ظرفیت میان جفت‌های روبه‌رو بر هر متر طول برابر ε₀·ln 2 / π است، حدود 1,953 549 pF/m. این تقریباً برای هر تقارن دقیقی از سطح مقطع درست است. طول را با تداخل‌سنج لیزری می‌سنجند و ظرفیت از طول به دست می‌آید.
از سال 2019 ثابت‌های h و e دقیق‌اند و فاراد از راه اهم به آن‌ها پیوند دارد. یک استاندارد مقاومت بر پایهٔ اثر هال کوانتومی را در یک پل تربیعی با بسامد معلوم با خازن مقایسه می‌کنند: C = 1 / (2πfR). آزمایشگاه‌های ملی این‌گونه فاراد را با دقتی تا حد یک‌میلیونیم تحقق می‌بخشند.
فهرست کمیت‌ها
همهٔ فهرست ←هفت یکای پایهٔ SI
یک قطره اسید رنگ آب‌میوه را تغییر می‌دهد، نمک شعله را رنگی می‌کند، آب با یک ضربه یخ می‌زند. زیر آن‌ها همهٔ برگه‌های Simetrium، بر پایهٔ رشته و به ترتیب الفبا.
باز کردن فهرست ←