العلومالفيزياء

المكثفات – Capacitors

اقرأ في هذا المقال
  • ما هو المكثف - Capacitor؟
  • السعة - Capacitance
  • طرق توصيل المكثفات
  • حساب التيار و الجهد و الطاقة للمكثف
  • كيف يعمل المكثف الكهربائي؟
  • أنواع المكثفات

ما هو المكثف – Capacitor؟

المكثّف: هو مكوّن إلكتروني يخزّن الشّحنة الكهربائية. يتكون المكثّف من موصلين قريبين من بعضهم (عادةً لوحات موصلة) مفصولة بمادة عازلة. تُشحن اللوحات الكهربائية عند توصيلها بمصدر الطاقة، تُشحن إحدى اللوحتين بشحنة موجبة وتُشحن اللوحة الأخرى بشحنة سالبة.

السّعة (The capacitance): هي كمية الشحنة الكهربائية المخزنة في المكثف بجهد قيمته 1 فولت، يتم قياس السعة بوحدة الفاراد (F). يقوم المكثّف بفصل التيار في دوائر التيار المباشر (DC) والدائرة القصيرة في دوائر التيار المتردد (AC).

السعة – Capacitance:

ما هي السعة الكهربائية للمكثف ؟

تعتمد كمية الطاقة الكهربائية التي يستطيع المكثّف تخزينها على سعتها. إنّ سعة المكثف تشبه إلى حد ما حجم الدلو، فكلما زاد حجم الدلو، زادت كمية المياه التي يمكن تخزينها، وبذلك كلما زادت السعة، زادت الطاقة الكهربائية التي يمكن للمكثف تخزينها. هناك ثلاث طرق لزيادة سعة المكثف، واحدة من هذه الطرق هي زيادة حجم اللوحات في المكثف، والطريقة الثانية هي تقريب اللوحات في المكثف من بعضها البعض، أما الطريقة الثالثة هي جعل العازل عازلًا جيدًا قدر الإمكان.

تستخدم المكثفات عوازل كهربائية مصنوعة من جميع أنواع المواد. في أجهزة راديو الترانزستور، يتم الضبط بواسطة مكثف متغير كبير لا يحتوي إلّا على الهواء كعازل بين لوحاته. أما في معظم الدوائر الإلكترونية، تكون المكثفات عبارة عن مكونات متصلة بإحكام بعوازل كهربائية مصنوعة من السيراميك مثل الميكا والزجاج أو الورق المنقوع بالزيت أو البلاستيك مثل المايلار.

وحدة السعة – Capacitance Unit:

ليست كل المكثفات متساوية في السّعة، تمّ تصميم كل مكثف بحيث يكون له مقدار محدد من السعة، تخبرك سعة المكثف بكمية الشحنة التي يمكن تخزينها، وتعني السعة الأكبر سعة أكبر لتخزين الشّحنة الكهربائية. تسمى الوحدة القياسية للسعة “الفاراد” والتي يتم اختصارها (F). اتّضح أنّ الفاراد هو الكثير من السعة، حتى (1 ميلي فاراد) (0.001F) هو مكثف كبير. عادةً سترى المكثفات مصنفة في النّطاق (pico 10-12) إلى (microfarad (10-6. عندما تصل إلى نطاق من فاراد إلى كيلوفاراد من السعة، تبدأ في الحديث عن مكثفات خاصة تسمى المكثفات الضخمة أو المكثفات الفائقة (super or ultra-capacitors).

حساب السعة للمكثف؟

السعة (C) للمكثف تساوي الشحنة الكهربائية (Q) مقسومة على الجهد (V):

C=\frac{Q}{V}



حيث (C) هي السعة ووحدتها الفاراد (F)، و(Q) هي الشحنة الكهربائية ووحدتها الكولوم (C) المخزنة على المكثف و(V) هو الجهد بين ألواح المكثف ووحدته الفولت (V).

حساب سعة مكثف اللوحات:

تساوي السعة (C) لمكثف الألواح السماحية (ε) مضروبة في مساحة اللوحة (A) مقسومة على الفجوة أو المسافة بين الألواح (d):

C=\varepsilon \times \frac{A}{d}


حيث (C) هي سعة المكثف تقاس بالفاراد (F)، و(ε) هي سماحية المادة للمكثف، تقاس بالفاراد لكل متر (F / m)، و(A) هي مساحة لوحة المكثف بالمتر المربع (m2) و(d) هي المسافة بين ألواح المكثف بالأمتار (m).

طرق توصيل المكثفات:

توصيل المكثفات على التوالي:

السّعة الإجمالية للمكثفات على التوالي C3 ، C2 ، C1:

\frac{1}{C_{Total}}=\frac{1}{C_{1}}+\frac{1}{C_{2}}+\frac{1}{C_{3}}+...



توصيل المكثفات على التوازي:

السعة الكلية للمكثفات على التوازي C3 ، C2 ، C1:

….+CTotal = C1+C2+C3


حساب التيار و الجهد و الطاقة للمكثف:

التيار اللحظي للمكثف (ic(t يساوي سعة المكثف، ضرب مشتق الجهد اللحظي للمكثف (vc(t:

i_c(t)=C\frac{dv_c(t)}{dt}


الجهد اللحظي للمكثف (vc(t، يساوي الجهد الأولي للمكثف، زائد (1/C) ضرب تكامل (ic(t الحالي للمكثف اللحظي بمرور الوقت (t):

v_c(t)=v_c(0)+\frac{1}{C}\int_{0}^{t}i_c(\tau)d\tau


طاقة المكثف المخزنة (EC) تقاس بوحدة الجول (J) تساوي السعة (C) بالفاراد (F) ضرب جهد المكثف المربع (VC) بالفولت (V) مقسوم على 2:

EC = C × VC 2 / 2


في دوائر AC:

التردد الزاوي:

ω = 2π f

ω – السرعة الزاوية تقاس بالراديان في الثانية (rad/s).

f – التردد يقاس بالهرتز (Hz).

مفاعلة المكثف:

X_C = -\frac{1}{\omega C}


مقاومة المكثف:



الشكل الديكارتي – Cartesian form:

Z_C = jX_C = -j\frac{1}{\omega C}


الشكل القطبي – Polar form:

ZC = XC∟-90º


كيف يعمل المكثف الكهربائي؟

التيار الكهربائي: هو تدفق الشحنة الكهربائية، وهو ما تحتاجه المكونات الكهربائية للإضاءة أو الدوران أو القيام بأي شيء تفعله. عندما يتدفق التيار إلى مكثف، فإنّ الشحنات “تعلق” على الألواح لأنها لا تستطيع تجاوز العازل الكهربائي. تُمتص الإلكترونات – وهي جسيمات سالبة الشحنة – في إحدى الصفائح وتصبح سالبة الشحنة. تُدفع الكتلة الكبيرة من الشحنات السالبة على إحدى اللوحين مثل الشحنات الموجودة على اللوح الآخر، مما يجعلها مشحونة إيجاباً.

تجذب الشحنات الموجبة والسالبة على كل من هذه الصفائح بعضها البعض، لأنّ هذا ما تفعله الشحنات المعاكسة. ولكن مع وجود العازل الكهربائي بينهما، بقدر ما يريدون أن يجتمعوا معًا ستظل الشحنات عالقة إلى الأبد على اللوحة (حتى يكون لديهم مكان آخر يذهبون إليه). تخلق الشحنات الثابتة على هذه الألواح مجالًا كهربائيًا يؤثر على طاقة الجهد الكهربائي والجهد. عندما تتجمع الشحنات معًا على مكثف مثل هذا، فإنّ الغطاء يخزن الطاقة الكهربائية تمامًا كما قد تخزن البطارية الطاقة الكيميائية.

الشحن والتفريغ:

عندما تتحد الشحنات الموجبة والسالبة على ألواح المكثف، يصبح المكثف مشحوناً. يمكن للمكثف أن يحتفظ بمجاله الكهربائي – يحمل شحنته – لأنّ الشحنات الموجبة والسالبة على كل لوحة تجذب بعضها البعض ولكنّها لا تصل إلى بعضها البعض. في مرحلة ما، ستكون لوحات المكثف مليئة بالشحنات بحيث لا يمكنها قبول المزيد من الشحنات بعد الآن. توجد شحنات سالبة كافية على لوح واحد يمكنها صد أيّ شحنة أخرى تحاول الإنضمام. هذا هو المكان الذي تلعب فيه السعة (الفاراد) للمكثف، والتي تخبرك بأقصى قدر من الشحن يمكن أنّ يخزنه الغطاء. إذا تمّ إنشاء مسار في الدائرة، والذي يسمح للشحنات بالعثور على مسار آخر لبعضها البعض، فسوف تترك المكثف وسوف يتم تفريغها.

أنواع المكثفات:

هناك أنواع مختلفة من المكثفات، ولكل منها مميزات وعيوب معينة تجعلها أفضل لبعض التطبيقات عن غيرها، عند إتخاذ قرار بشأن أنواع المكثفات، هناك عدد من العوامل التي يجب مراعاتها:

  • الحجم من حيث الحجم المادي والسعة. ليس من المألوف أنّ يكون المكثف هو أكبر مكوّن في الدائرة، تتطلب السعة الأكبر عادةً مكثفًا أكبر.

  • أقصى جهد حيث يتم تصنيف كل مكثف لجهد أقصى يمكن أن ينخفض عبره. قد يتم تصنيف بعض المكثفات على أنّها 1.5 فولت، والبعض الآخر يمكن تصنيفها على 100 فولت. عادةً ما يؤدي تجاوز الحد الأقصى للجهد إلى تدمير المكثف.

  • تسرب التيار – المكثفات ليست مثالية. كل غطاء عرضة لتسريب قدر ضئيل من التيار عبر العازل من طرف إلى آخر. يسمى هذا الفقد الضئيل للتيار (عادةً nanoamps أو أتسرب قليل ). يتسبب التسرب في تصريف الطاقة المخزنة في المكثف ببطء، ولكن بمقدار ثابت.

  • مقاومة السلاسل المكافئة (ESR) – أطراف المكثف ليست موصلة بنسبة 100٪، سيكون لديهم دائمًا قدر ضئيل من المقاومة (عادةً أقل من 0.01)، تصبح هذه المقاومة مشكلة عندما يمر الكثير من التيار عبر الغطاء، مما ينتج عنه فقدان الحرارة والطاقة.

  • السماحية – لا يمكن أيضًا جعل المكثفات ذات سعة دقيقة ومضبوطة تماماً. سيتم تصنيف كل غطاء على السعة برموز معينة، ولكن اعتمادًا على النّوع، قد تختلف القيمة الدقيقة في أي مكان من ± 1٪ إلى ± 20٪ من القيمة المطلوبة.

مكثفات السيراميك:

المكثف الأكثر استخداماً وإنتاجاً هو مكثف السيراميك، يأتي هذا الإسم من المادة التي يُصنع منها العازل الكهربائي، عادةً ما تكون مكثفات السيراميك صغيرة من الناحية الفيزيائية والسّعة. من الصعب العثور على مكثف سيراميك أكبر بكثير من 10 درجة فهرنهايت، يوجد غطاء سيراميك مثبت على السطح بشكل شائع في عبوة صغيرة 0402 (0.4مم × 0.2مم)، 0603 (0.6 مم × 0.3 مم) أو 0805.

عادةً ما تبدو أغطية السيراميك عبر الفتحات مثل المصابيح الصغيرة (الصفراء أو الحمراء عادة) مع طرفين بارزين. بالمقارنة مع الأغطية الإلكتروليتية الشائعة، يعتبر السيراميك مكثفًا أقرب إلى المثالية (أقل بكثير من تيارات ESR وتيارات التسرب) ولكن قد تكون سعتها الصغيرة محدودة. وهي عادةً الخيار الأقل تكلفة أيضًا.


مكثفات Aluminum and Tantalum Electrolytic:

تعتبر هذه النوعية من المكثفات رائعة لأنّها يمكن أنّ تحزم الكثير من السعة في حجم صغير نسبياً. إذا كنت بحاجة إلى مكثف في نطاق(1µF – 1mF)، فمن المرجح أن تستخدم هذا النوع من المكثفات. إنّها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات الجهد العالي بسبب معدلات الجهد القصوى العالية نسبيًا الخاصه بها. المكثفات الالكتروليتية المصنوعة من الألومنيوم، وهي الأكثر شيوعًا في عائلة التحليل الكهربائي، تبدو عادةً مثل علب الصفيح الصغيرة حيث تمتد أطرافها من الأسفل.

المكثفات الفائقة – Supercapacitors:

إذا كنت تبحث عن مكثف مصنوع لتخزين الطاقة، فابحث عن المكثفات الفائقة، تم تصميم هذه المكثفات بشكل فريد بحيث تتمتع بسعة عالية جدًا في نطاق الفاراد. في حين أنّها يمكن أن تخزن كمية هائلة من الشحن، لا تستطيع المكثفات الفائقة التعامل مع الفولتية العالية جدًا. تم تصنيف مكثف 10F الفائق هذا فقط لـ 2.5 فولت كحد أقصى، أي أكثر من ذلك سوف يدمرها.

عادةً ما يتم وضع المكثفات الفائقة في سلسلة لتحقيق معدل جهد أعلى (مع تقليل السعة الكلية)، يتمثل التطبيق الرئيسي للمكثفات الفائقة في تخزين الطاقة وإطلاقها مثل البطاريات، التي تعد منافستها الرئيسية. في حين أنّ المكثفات الفائقة لا يمكنها الإحتفاظ بنفس قدر الطاقة مثل بطارية متساوية الحجم إلّا أنّها يمكن أن تطلقها بشكل أسرع، وعادةً ما يكون لها عمر أطول بكثير.

المصدر
Introduction to CapacitorsCapacitorsCapacitorCapacitor definitionsCapacitor Types: Types of Capacitor

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى