ما هو المكثف الكهربائي

على الرغم من بساطة تركيب المكثفات الكهربائية، إلا أنها تُستخدم في كثير من التطبيقات العملية والهامة، ابتداءً من لوحات اللمس(touchpad) إلى أنظمة التحكم المتطورة.

ما هو المكثف الكهربائي؟

المكثف (بالإنجليزية: capacitor) هو عنصر كهربائي يعمل على خزن الطاقة الكهربائية في شكل مجال كهربائي (electric field)، ويتكون من لوحين موصلين ومتوازيين، يفصل بينهما طبقة عازلة. في العديد من التطبيقات العملية، قد تكون الألواح عبارة عن رقائق ألمنيوم بينما قد يكون العازل عبارة عن هواء أو سيراميك أو ورق أو ميكا.

وتتمثل وظيفة المكثف الأساسية بخزن الطاقة الكهربائية على صورة مجال كهربائي بين لوحيه.

رمز المكثف الكهربائي

يرمز للمكثف بخطين متوازيين يمتد من منتصفهما خطين متعامدين تمثل أطراف المكثف، وقد يختلف هذا الرمز بشكل بسيط بحسب نوع المكثف.

مكونات المكثف الكهربائي

يتكون المكثف بشكله المبسط من جزئين رئيسيين هما الألواح والمادة العازلة.

لوحين متوازيين: وتكون مصنوعة من مواد موصلة مثل الألمنيوم وعلى مسافة قريبة من بعضهما وبينهما مسافة صغيرة عازلة.

منطقة عازلة: وهي المنطقة ما بين اللوحين، ويمكن أن تكون المنطقة العازلة إما فراغ أو مادة عازلة كهربائية. مثل الزجاج، والورق، والبلاستيك، والسيراميك، والميكا.

أطراف توصيل: وهي عبارة عن طرفين يتم توصيلهما بالدائرة الكهربائية. وفي المكثفات العادية الغير مستقطبة تكون الأطراف متساوية في الطول، بينما في المكثفات المستقطبة يكون الطرف الأطول هو الموجب بينما الطرف الأقصر هو السالب.

مبدأ عمل المكثف الكهربائي

إذا كانت الألواح المتوازية غير مشحونة في البداية وتم ترك المفتاح مفتوحًا كما في الصورة، فلا توجد أي شحنة موجبة أو سالبة على أيٍ من اللوحين.

وفي اللحظة التي يتم فيها إغلاق المفتاح، تتحرك الإلكترونات من اللوح A عبر المقاومة إلى الطرف الموجب للبطارية. ويترسب عدد مساوٍ لهذه الإلكترونات على اللوح B يتم سحبها من الطرف السالب للبطارية. ومن ثم تصبح شحنة الصفيحة A موجبة لأن الإلكترونات تغادرها وشحنة الصفيحة B سالبة لأن الإلكترونات تترسب عليها.

نتيجة لحركة الالكترونات ينشأ تيار يسمى بتيار الشحن (يتناقص مع زيادة تراكم الشحنة على لوحي المكثف).

وتستمر عملية انتقال الإلكترونات هذه حتى يتساوى فرق الجهد عبر الألواح المتوازية تمامًا مع جهد البطارية. في هذه الحالة تتوقف الإلكترونات عن الحركة ويصبح المكثف مشحون وعند فصله يحتفظ بالشحنات لمدة طويلة.

لاحظ أن الإلكترونات لا يمكنها أن تمر من خلال المكثف بسبب وجود المنطقة العازلة.

سعة المكثف

السعة (Capacitance) هي قدرة المكثف على خزن الطاقة الكهربية. وتعرف سعة المكثف بأنها كمية الشحنة اللازمة ليكون فرق الجهد بين لوحيه يساوي  الوحدة (unit)،

ويقال أن سعة المكثف تساوي واحد فاراد إذا اكتسب أحد اللوحين في مكثف شحنة مقدارها واحد كولوم، مما يؤدي إلى جعل فرق الجهد بين طرفيه واحد فولت.

قانون سعة المكثف

قانون السعة للمكثف تساوي كمية شحنة المكثف، مقسومةً على فرق الجهد على المكثف وصيغته الرياضية كما يلي:

C = Q/V

حيث أن C هي السعه مقاسة بالفاراد، و Q هي الشحنة مقاسة بالكولوم، و V هي فرق الجهد مقاس بالفولت.

وحدة قياس سعة المكثف

وحدة قياس سعة المكثف هي الفاراد Farad (F)، تكريمًا للفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي. حيث أن 1 فاراد يساوي سعة مكثف يخزن 1 كولوم من الشحنة عندما يكون فارق الجهد بين اللوحين يساوي 1 فولت .

وفي الحياة العملية عادة ما تكون قيم سعة المكثفات صغيرة جدًا، والوحدات الأكثر تداولًا هي: الميكرو فاراد (µF)، والنانو فاراد (nF)، والبيكو فاراد (pF ).

العوامل المؤثرة على قيمة سعة المكثف

بشكل عام ، هناك ثلاثة عوامل تحدد قيمة السعة للمكثف:

• مساحة سطح الألواح: كلما كبرت المساحة ، زادت السعة.
• المسافة بين الألواح: فكلما قل التباعد ، زادت السعة.
• سماحية المادة (permittivity): كلما زادت السماحية ، زادت السعة.

طرق توصيل المكثفات

توصيل المكثفات على التوالي

على عكس المقاومات في حالة توصيل مكثفين على التوالي تكون القيمة المكافئة الكلية تساوي حاصل ضربهما مقسومًا على حاصل جمعهما. وبالتوصيل على التوالي تقل السعة الكلية للمكثفات.

توصيل المكثفات على التوازي

عند توصيل المكثفات على التوازي يتم جمع المكثفات بطريقة مباشرة وتكون القيمة المكافئة الكلية تساوي مجموع كل المكثفات مع بعض. وبالتوصيل على التوازي تزداد السعة الكلية للمكثفات.

تطبيقات المكثف واستخداماته

إلى جانب المقاومة، تعتبر المكثفات من المكونات الكهربائية الأكثر شيوعًا. ويتم استخدام المكثفات على نطاق واسع في الإلكترونيات والإتصالات وأجهزة الكمبيوتر وأنظمة الطاقة. على سبيل المثال، يتم استخدامها في دوائر ضبط أجهزة استقبال الراديو وكعناصر ذاكرة ديناميكية في أنظمة الكمبيوتر.

ومن بعض استخداماتها مايلي:

• تستخدم المكثفات لتحسين معامل القدرة.
• يستخدم في دوائر الترشيح.
• يُستخدم لخزن الطاقة في الأجهزة الإلكترونية.
• يُستخدم كذاكرة رقمية.
• يستخدم في أجهزة التكييف.
• يستخدم لبدأ تشغيل المحركات الحثية أحادية الطور.

أنواع المكثف الكهربائي

أنواع المكثفات كثيرة ومن أهمها مايلي:

• المكثفات الثابتة.
• المكثفات المتغيرة.
• المكثفات المستقطبة.
• المكثفات الإلكتروليتية.
• المكثفات الورقية.
• المكثفات السيراميكة.
• المكثفات ذات عازل الميكا.
• المكثفات الفائقة.

---

المصادر

Robert L. Boylestad, INTRODUCTORY CIRCUIT ANALYSI

Alexander, Fundamentals of Electric Circuits 3e HQ