باتری و خازن چه تفاوتی دارند؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، باتری و خازن هر دو انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و در مواقع لزوم در اختیار مدار الکتریکی قرار می‌دهند. از این حیث خازن و باتری بسیار شبیه به یکدیگر هستند. با این حال تفاوت‌هایی اساسی بین آن‌ها وجود داشته که کاربرد‌های هر یک از آن‌ها را محدود به شرایطی خاص می‌کند.

اصلی‌ترین تفاوت باتری و خازن در این است که باتری با تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی، انرژی الکتریکی لازم را فراهم می‌کند. این در حالی است که خازن، از طریق یک میدان الکترواستاتیک، با جمع شدن بار‌های الکتریکی روی دو صفحه آن، انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند. در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده بیشتر به تفاوت باتری و خازن بپردازیم.

باتری 

همان‌طور که می‌دانید، باتری وسیله‌ای است که به عنوان منبع انرژی در بسیاری از وسایل برقی استفاده می‌شود. از آنجایی که یک باتری سالم، ولتاژی ثابت دارد (اختلاف پتانسیل بین قطب مثبت و منفی آن ثابت است)، جریان تولید شده توسط آن نیز ثابت (DC) است. باتری از ۳ قسمت عمده کاتد (ترمینال مثبت)، آند (ترمینال منفی) و ماده الکترولیت تشکیل شده است. یک باتری به واسطه ساختار شیمیایی ماده الکترولیت و جنس کاتد خود، انرژی شیمیایی را ذخیره کرده و در صورت لزوم طی واکنش‌های شیمیایی کاهش – اکسیداسیون (oxidation-reduction)، آن را تبدیل به انرژی الکتریکی می‌کند. در واقع طی واکنش‌های شیمیایی، یون و الکترون‌هایی تولید شده که الکترون‌ها از طریق مدار به سمت ترمینال مثبت باتری می‌روند. در این حالت باتری تخلیه یا دشارژ (discharge) می‌شود. در برخی از باتری‌ها، این واکنش‌ها می‌توانند در جهت عکس انجام شوند که منجر به شارژ باتری می‌شوند.

شکل (۱): نمایی از یک باتری ۱.۵ ولت

به یاد داشته باشید که جهت واقعی الکترون‌ها (جریان الکتریکی) از ترمینال منفی به ترمینال مثبت باتری است. اما به صورت قراردادی در تحلیل مدار‌های الکتریکی، جهت جریان را از ترمینال مثبت باتری خارج می‌کنند. 

خازن

همان‌طور که می دانید، خازن ساختاری لایه‌ای است که بین لایه‌ها هوا یا ماده دی‌الکتریک وجود دارد. در ساده‌ترین حالت خازن را تخت با دو صفحه موازی زیر را در نظر بگیرید.

شکل (۲): فیزیک خازن تخت (صفحه موازی)

با قرار دادن خازن در یک مدار که توسط منبع ولتاژ (نظیر باتری) تغذیه می‌شود، جریان از خازن تا هنگامی که ولتاژ دو سر خازن با ولتاژ منبع تغذیه برابر شود، عبور خواهد کرد (جریان را DC در نظر بگیرید). به عبارت دیگر، خازن پر شده اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی‌دهد. البته با فرض اینکه ظرفیت خازن به مقداری باشد که ولتاژ آن بتواند با ولتاژ باتری برابر شود. به یاد داشته باشید که عامل شارش بار الکتریکی یا جریان، اختلاف پتانسیل است.

در این حالت بار‌های ذخیره شده روی دو صفحه خازن، انرژی الکتریکی را در شکل میدان الکترواستاتیک ذخیره می‌کنند. حال با قرار دادن خازن پر شده در یک مدار، بار روی صفحات آن به مدت زمان دشارژ خازن از طریق مدار جریان می‌یابند. 

شکل (۳): نمایی از خازن‌های مختلف تجاری

 

با توجه به مطالب فوق، می‌توان گفت که مهم‌ترین تفاوت باتری و خازن در چگونگی ذخیره انرژی الکتریکی است.

ابرخازن

 ابرخازن‌ها که به Super Cap یا Ultra Capacitor نیز معروف هستند، خازن‌هایی بوده که همانند باتری‌ها ترمینال‌های مثبت و منفی داشته که از ظرفیت بسیاری بالایی علی‌رغم ولتاژ پایین برخوردار هستند. غالباً ظرفیت ابرخازن‌ها از ۱۰۰ فاراد تا ۱۲۰۰۰ فاراد در ولتاژ‌های پایین ۲.۵ تا ۲.۷ ولت است.

شکل (۴): نمایی از یک ابرخازن (Ultra Cap) با ظرفیت ۲۶۰۰ فاراد و ولتاژ ۲.۷ ولت

ابرخازن‌ها را می‌توان ساختاری بین باتری و خازن در نظر گرفت که سریع‌تر از باتری‌ها شارژ و بیشتر از خازن‌های الکترولیتی در واحد حجم یکسان شارژ می‌شوند.

تفاوت باتری و خازن

حال که با تعریف‌های مقدماتی باتری و خازن آشنا شدید، به تفاوت باتری و خازن در قالب جدول زیر توجه کنید: