Capacitors المكثفات

Capacitors المكثفات 

المكثفات (Capacitors or Condensers) هي عناصر غير فعالة passive لها القدرة او السعة Capacity على تخزين الطاقة في صورة مجال كهربي ، وهي على النقيض من الملفات Inductors والتي تخزن الطاقة على شكل مجال مغناطيسي ، وهناك العديد من انواع المكثفات حسب الحجم والسعة لكنها جميعا تعمل بنفس المبدأ وهو تخزين الطاقة .

تركيب المكثف Capacitor construction

المكثف في ابسط صورة يتكون من اي لوحين من مادتين موصلتين بينهما عازل (Dielectric) ، واللوحين قد يكونا على شكل مربع او مستطيل او اسطواني او كروي ، وتقاس سعة المكثف بوحدة الفاراداي Faraday (F) نسبة للعالم مايكل فاراداي ونظرا لان الفاراداي قيمة كبيرة جدا فيتم تقسيمها الى وحدرات اصغر منها مثل المايكرو والنانو والبيكو فاراداي ، وسعة المكثف موجبة دائما وتتوقف على مساحة اللوحين والمسافة بينهما ونوع المادة او الوسط العازل بينهما ، ومع تثبيت العوامل السابقة نحصل على مكثفات ثابتة السعة ومع تغيير احدها نحصل على مكثفات متغيرة السعة ،

سلوك المكثف   Capacitor behavior

عندما يتم تطبيق جهد متردد على المكثف Alternating current  نجده يمرر التيار بشكل طبيعي مع مقاومة ضعيفة جدا Impedance تختلف حسب تردد المصدر وتتناسب عكسيا معه ، اما في حالة الجهد المستمر- وكما نعلم بوجود نوعان من الشحنات وهما الموجبة (البروتونات) والسالبة (الالكترونات)- وعند تطبيق الجهد المستمر على المكثف تتراكم الشحنات الموجبة (+ve) على احد اللوحين بينما تتجه السالبة (-ve) للوح الاخر ، يقوم المكثف بالشحن حتي يصل الي نفس قيمة جهد المصدر المغذي له ويكون في حالة Fully charge ولكنه يمنع تدفق التيار عند وصوله لحالة التشبع هذه او حالة الثبات Steady state وذلك بسبب المادة العازلة (Dielectric) ، وتبلغ اقصى قيمة لتيار الشحن عند تفريغ الالواح بالكامل او ما تسمى Initial condition  وتقل تدريجيا مع الاستمرار في الشحن حتى تصل للصفر مع تساوي قيمة الجهد على المكثف مع جهد المصدر ، ويمكن استخدام المكثفات لتمرير اشارات كهربية ذات ترددات عالية ومنع الترددات المنخفضة

سعة المكثف Capacitance

هي قدرة المكثف على تخزين الشحنات عبر الواحة في شكل مجال كهروستاتيكي تسمى سعة Capacitance  ليس هذا فقط فهي ايضا قدرة المكثف على مقاومة التغير في الجهد المار به وهي نسبة الشحنة Q الى الجهد على اطراف المكثف V ونرمز لها بالرمز C حيث C=Q/V  وتقاس بالفاراد كما ذكرنا ، ومصطلح الشحنة مخزنة على الواح المكثف غير دقيق والانسب ان نقول الطاقة داخل الشحنة مخزنة كمجال الكتروستاتيكي بين اللوحين ، وهناك علاقة تعبر عن سعة المكثف وهي : - C = ε A/d

حيث  ε  هي السماحية الكلية للعازل بين الالواح وتساوي εo εr حيث εo  سماحية الهواء & εr سماحية المادة العازلة  ، A مساحة اللوحين ، d المسافة بين اللوحين وهناك ثابت يسمى ثابت العزل Dielectric Constant  وهو العامل الذي تؤدي به المادة العازلة بين اللوحين الى زيادة سعة المكثف ونرمز له بالرمز k  ، ولو فرضنا ان هناك اكثر من لوح في المكثف (n)، فيمكن كتابة معادلة السعة بالشكل التالي :-

 الجهد المقنن للمكثف Capacitor Voltage Rating

جميع المكثفات لها حد اقصى من الجهد الذي تستطيع ان تتحمله في الدائرة ويسمي الجهد التشغيلي ويجب مراعاة قيمة هذا الجهد عند اختيار المكثف والا ستتلف المادة العازلة Dielectric اذا ما تم اختيار قيمة اعلى ، والجهد التشغيلي يكون موجود في الداتا شيت ويسمي جهد التشغيل Working Voltage (WV) او جهد التشغيل للتيار المستمر Working Voltage Direct Current (WVDC) ، وهو يعتمد على سمك المادة العازلة المستخدمة و نوعها ،

ويجب ملاحظة ان قيمة جهد التشغيل Working Voltage للتيارات المستمرة تختلف عنها للتيارات المتغيرة بسبب ، فاذا كان لدينا مكثف والجهد المقنن له 100 فولت جهد مستمر ، فليس من الامن تعرضه لنفس القيمة في الجهد المتردد بسبب قيم الجهد الفعالة root mean square   والقيم العظميpeak value  ، حيث ان القيمه 100 للمتردد تعتبر كقيمة فعالة ولكنها تساوي 140 (√2 x 100) كقيمة عظمي وبالتالي فانها سوف تؤثر على المكثف ، وبشكل عملي يتم اختيار قيمة الجهد التشغيلي Working Voltage سواء تيار متردد او ثابت AC or  DC بحيث تكون اكبر بقيمة 50% عن الجهد الذي سيتم تطبيقه عليه effective voltage ،

وهناك عامل اخر يؤثر على اداء المكثف وهو تسرب العازلDielectric leakage  ويحدث بسبب تسرب بعض التيارات المستمرة الغير مرغوب فيها الى المادة العازلة مما يقلل من كفاءة واداء المكثف ، لذا فمن الطبيعي والضروري اختيار نوع مادة عازلة ذات مقاومة عالية جدا حتى لا تسمح بمرور تلك التيارات من احد الالواح الى الاخر .

المصادر

·       https://www.electronics-tutorials.ws/capacitor/cap_1.html

·       https://www.toppr.com/guides/physics/electrostatic-potential-and-capacitance/capacitors-and-capacitance/

·       https://www.rfcafe.com/references/electrical/capacitance.htm

·       http://www.splung.com/content/sid/3/page/capacitors

·       https://circuitglobe.com/difference-between-capacitor-and-inductor.html

·       https://www.elprocus.com/difference-between-capacitor-and-inductor/