خازن
خازِن یا انباره وسیله‌ای الکتریکی است که می‌تواند بار الکتریکی (و بنابراین انرژی الکتریکی) را در خود ذخیره کند. انواع مختلفی از خازن‌ها وجود دارد اما همه آن‌ها شامل حداقل دو هادی هستند که توسط یک عایق، از یکدیگر جدا شده‌اند. نام این هادی‌ها صفحات خازن است. صفحات خازن می‌توانند از جنس رسانا مانند فلز یا آب نمک باشند. عایق دی الکتریک نیز لایه‌ای عایق است که بین صفحات خازن قرار می‌گیرد و ظرفیت خازن را افزایش می‌دهد، و جنس آن می‌تواند از شیشه، هوا، سرامیک، پلاستیک، میکا، کاغذ و … باشد.
خازن‌ها کاربردهای وسیعی دارند. آن‌ها به همراه مقاومت‌ها، در مدارات تایمینگ استفاده می‌شوند. همچنین از خازن‌ها برای صاف کردن سطح تغییرات ولتاژ مستقیم استفاده می‌شود. از خازن‌ها در مدارات به‌عنوان فیلتر هم استفاده می‌شود. زیرا خازن‌ها به راحتی سیگنال‌های متناوب را عبور می‌دهند ولی مانع عبور سیگنال‌های مستقیم می‌شوند.
خازن را با حرف C که ابتدای کلمه "capacitor" است نمایش می‌دهند.
با توجه به این‌که بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود، برای ایجاد میدان‌های الکتریکی یکنواخت می‌توان از خازن استفاده کرد. خازن‌ها می‌توانند میدان‌های الکتریکی را در حجم‌های کوچک نگه دارند؛ به علاوه می‌توان از آن‌ها برای ذخیره کردن انرژی استفاده کرد. وسیله ای است که برای ذخیره‌سازی بار الکتریکی به کار می‌رود. تعریف ظرفیّت خازن: نسبت بار ذخیره شده در خازن به اختلاف پتانسیل دوسر خازن را ظرفیّت خازن می‌نامند. آن را با Cنمایش داده واحد آن فاراد است. نماد خازن دارای چهار خط است که در امتداد هم هستند.
در اکتبر ۱۷۴۵، اووالد جورج فون کلست از پومرانیا، آلمان، دریافت که با اتصال یک ژنراتور الکترواستاتیک با ولتاژ بالا توسط یک سیم به یک حجم آب در یک شیشهٔ دستی قابل نگهداری می‌توان بار را ذخیره کرد. دست و آب فون کلئیست به عنوان هادی عمل می‌کند، و شیشه را به عنوان یک دی الکتریک (گرچه جزئیات مکانیسم در آن زمان به اشتباه تشخیص داده نشده بودند). فون کلیست دریافت که تماس با سیم منجر به ایجاد جرقهٔ قدرتمند، بسیار دردناکتر از آنچه که از دستگاه الکترواستاتیک بدست آمده‌است. سال بعد، فیزیکدان هلندی، پیتر وان ماسنبربوک، خازن مشابهی را که با نام لیوان لیدن نامیده شد، پس از دانشگاه لیدن که در آنجا کار می‌کرد، اختراع کرد. او همچنین تحت تأثیر قدرت شوکی که دریافت کرد تحت تأثیر قرار گرفت و نوشت: «من برای شاهنشاهی فرانسه شوک دوم نخواهم برد.»
دانیل گرالت اولین کسی بود که چندین کوزه را به‌طور موازی برای افزایش ظرفیت ذخیره شارژ ترکیب کرد. بنیامین فرانکلین در مورد شیشه لیدن تحقیق کرد و به این نتیجه رسید که این اتهام در شیشه ذخیره شده‌است، نه در آب همان‌طور که دیگران فرض کرده بودند. وی همچنین اصطلاح «باتری» را تصویب کرد، (دلالت بر افزایش نیرو با ردیف واحدهای مشابه مانند باتری توپ)، متعاقباً روی خوشه‌های سلولهای الکتروشیمیایی اعمال شد. کوزه‌های لیدن بعداً با پوشاندن داخل و خارج شیشه‌ها با فویل فلزی ساخته شده و برای جلوگیری از ایجاد قوس بین فویل‌ها، فضایی در دهان باقی مانده‌است.
کوزه‌های لایدن یا دستگاه‌های قدرتمندتری که از صفحات شیشه ای مسطح متناوب با رسانای فویل استفاده می‌کنند، منحصراً در حدود سال ۱۹۰۰ مورد استفاده قرار گرفتند، هنگامی که اختراع بی‌سیم (رادیو) تقاضا برای خازن‌های استاندارد ایجاد کرد و حرکت مداوم به فرکانس‌های بالاتر به خازن‌هایی با القایی پایین نیاز داشت. استفاده از روشهای ساختاری جمع و جورتر، مانند ورق دی الکتریک انعطاف‌پذیر (مانند کاغذ روغنی) که بین ورق‌های فویل فلزی ساندویچ شده، درون یک بسته کوچک چرخانده شده یا تاشو می‌شود.
خازن‌های اولیه به عنوان خازن شناخته می‌شدند، اصطلاحی که امروزه هنوز هم به‌خصوص در برنامه‌های پرقدرت مانند سیستم‌های اتومبیل از آن استفاده می‌شود. این اصطلاح برای اولین بار برای Alessandro Volta در سال ۱۷۸۲ توسط این هدف استفاده شد، با اشاره به توانایی دستگاه برای ذخیرهٔ چگالی بیشتر بار الکتریکی نسبت به هادی ایزوله ای امکان‌پذیر است. این اصطلاح به دلیل معنی مبهم کندانسور بخار مستهلک شد و خازن از سال ۱۹۲۶ به عنوان توصیه شده تبدیل شد.
از ابتدای مطالعه مواد غیر رسانا الکتریکی مانند شیشه، چینی، کاغذ و میکا به عنوان عایق استفاده شده‌است. این مواد چند دهه بعد برای استفاده بیشتر به عنوان دی الکتریک برای اولین خازن‌ها نیز مناسب بودند. خازن‌های کاغذ ساخته شده با ساندویچ کردن نوار کاغذ آغشته شده بین نوارهای فلزی و چرخاندن نتیجه به داخل استوانه معمولاً در اواخر قرن نوزدهم مورد استفاده قرار می‌گرفتند. تولید آنها از سال ۱۸۷۶ آغاز شد، و از اوایل قرن ۲۰ به عنوان جدا کننده خازن در ارتباطات از راه دور (تلفن) استفاده شد.
پرسلن در اولین خازن‌های سرامیکی مورد استفاده قرار گرفت. در سال‌های اولیه دستگاه انتقال بی‌سیم مارکونی از خازن‌های پرسلن چینی برای ولتاژ بالا و فرکانس بالا در فرستنده‌ها استفاده می‌شد. از طرف گیرنده از خازن‌های میکا کوچکتر برای مدارهای رزونانس استفاده شد. خازن‌های دی الکتریک میکا در سال ۱۹۰۹ توسط ویلیام دوبیلیر اختراع شد. قبل از جنگ جهانی دوم، میکا رایج‌ترین دی الکتریک برای خازن‌ها در ایالات متحده بود.
چارلز پولاک (متولد کارول پولاک)، مخترع اولین خازن‌های الکترولیتی، فهمید که لایه اکسید روی یک آند آلومینیوم حتی در هنگام خاموش شدن برق در یک الکترولیت خنثی یا قلیایی پایدار می‌ماند. در سال ۱۸۹۶ به ایالات متحده ثبت اختراع شماره ۶۷۲٫۹۱۳ را برای «خازن مایع برقی با الکترودهای آلومینیومی» اعطا کرد. در اوایل دهه ۱۹۵۰ خازنهای تانتالیوم الکترولیتی جامد توسط آزمایشگاه‌های بل به عنوان یک خازن پشتیبانی کم ولتاژ کوچک و مطمئن تر برای تکمیل ترانزیستور تازه اختراع شده خود اختراع شدند.
با توسعه مواد پلاستیکی توسط شیمی دانان ارگانیک در طول جنگ جهانی دوم، صنعت خازن شروع به جایگزینی کاغذ با فیلم‌های پلیمری نازک‌تر کرد. یکی از پیشرفتهای اولیه در خازنهای فیلم در ثبت اختراعات ۵۸۷٬۹۵۳ در انگلیس در سال ۱۹۴۴ توصیف شد.
خازن‌های دو لایه الکتریکی (در حال حاضر ابررساناها) در سال ۱۹۵۷ اختراع شدند که H. Becker یک "خازن الکترولیتی ولتاژ کم با الکترودهای کربن متخلخل" تولید کرد. او معتقد بود که این انرژی به عنوان بار در منافذ کربن مورد استفاده در خازن او و همچنین در منافذ پوسته‌های چوبی خازن‌های الکترولیتی ذخیره می‌شود. از آنجا که مکانیسم لایه دوتایی در آن زمان توسط وی شناخته نشده بود، در این ثبت اختراع نوشت: "دقیقاً مشخص نیست که در صورت استفاده برای ذخیره انرژی، در این جزء چه اتفاقی می‌افتد، اما به ظرفیت بسیار بالایی منجر می‌شود.
خازن فلزی- اکسید و نیمه هادی (خازن MOS) از ساختار ترانزیستور اثر میدان فلزی- اکسید - نیمه هادی (MOSFET) سرچشمه می‌گیرد، جایی که خازن MOS توسط دو اتصالات p-n در کنار هم قرار دارد. ساختار MOSFET توسط محمد م. آتلا و داون کهنگ در آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۹۵۹ اختراع شد. خازن MOS بعداً به عنوان خازن ذخیره‌سازی در تراشه‌های حافظه مورد استفاده قرار گرفت، و به عنوان بلوک ساختمان اصلی دستگاه همراه با شارژ (CCD) در فناوری حسگر تصویر استفاده می‌شود. در حافظه دستیابی تصادفی پویا (DRAM)، هر سلول حافظه به‌طور معمول از یک خازن MOSFET و MOS تشکیل می‌شود.
ظرفیت خازن معیاری برای اندازه‌گیری توانایی نگهداری انرژی الکتریکی است. هرچه ظرفیت یک خازن بیشتر باشد، خازن قادر به نگهداری انرژی الکتریکی بیشتری است. ظرفیت خازن‌ها یک کمیت فیزیکی‌ست و به ساختمان خازن وابسته است و به مدار و اختلاف پتانسیل بستگی ندارد.
واحد اندازه‌گیری ظرفیت خازن در SI کولن بر ولت بوده که آن را فاراد (F) می‌نامند. ۱ فاراد یکای بسیار بزرگی است و در عمل، ظرفیت اکثر خازن‌های متداول در محدودهٔ میلیفاراد (mF)، میکروفاراد (µF)، نانوفاراد (nF) و پیکوفاراد (pF) است.
نسبت مقدار باری که روی صفحات خازن انباشته می‌شود (formula_1) بر اختلاف پتانسیل دو سر باتری (formula_2) را ظرفیت خازن (formula_3) گویند. یعنی formula_4. در خازن‌های تخت (که دو صفحهٔ خازن، دو صفحه رسانای موازی با مساحت formula_5 است که به فاصله formula_6 از یکدیگر قرار گرفته‌اند) ظرفیت برابر است با formula_7. در این رابطه formula_8 ضریب گذردهی الکتریکی خلأ است و formula_9 ثابت دی‌الکتریک است که متناسب با جنس دی‌الکتریک استفاده شده در خازن است. تقریباً برای هوا و خلأ formula_10 است و برای محیطهای دیگر مانند آب formula_11 و …
وقتی صفحه‌های خازن دارای بار الکتریکی می‌شوند، در خازن انرژی نیز ذخیره می‌شود. مثلاً در هنگام شارژ شدن خازن توسط باتری، دائماً باری جزئی از یک صفحهٔ خازن جدا و به همان اندازه به صفحهٔ دیگر منتقل می‌شود؛ بنابراین طی این فرایند، باتری روی خازن کار انجام می‌دهد و این کار به صورت انرژی درون خازن ذخیره می‌شود؛ بنابراین formula_15.
به عبارت ساده انرژی ذخیره شده در یک خازن یک فارادی ۲۲۰ ولتی می‌تواند یک مصرف‌کننده ۶٬۷۲۲ وات را به مدت یک ساعت روشن کند.