المكثفات(Capacitors)
هو أحد مكونات الدوائر الكهربائية، وهو أداة تقوم بتخزين الطاقة الكهربائية أو الشحنة الكهربائية لفترة من الزمن على شكل مجال كهربائي، يتكوّن بين لوحين موصلين يحمل كل منهما شحنة كهربائية متساوية في المقدار ومتعاكسة في الإشارة. ومن ثم تُستخدم الشحنة الكهربائية أو تتبدد في الوقت المناسب. ويفصل اللوحين مادة عازلة (كالهواء مثلاً).
عند تركيبه في دائرة كهربية يمكنه تفريغ الشحنة المخزونة فيه لحظيا، كما يمكن إعادة شحنه. والمكثفات المصنّعة لها صفائح معدنية رقيقة موصلة للكهرباء توضع فوق بعضها وبينها طبقات العوازل أو تلف حول بعضها لتصغير حجم المواسع. يطلق على المكثف أيضا اسم مواسعة أو متسعة. وفي اللغة الإنجليزية يستخدم اسم مكثف (Condenser) .
ويتحدد نوع المكثف حسب المادة العازلة المستخدمة في صناعته، فاذا كانت من الهواء يطلق على المكثف اسم مكثف هوائي، أو بلاستيكي إذا كانت من البلاستيك ، أو مكثف ميكا، أو مكثف سيراميك وهكذا حسب نوع مادته. إذا استخدم محلول كيماوي كمادة عازلة = المكثف الكيماوي أو الالكتروليتي.
يتسبب عزل لوحي المكثف المشحون في توليد مجال كهربائي بينهما.
الشحنة السالبة -Q على اللوح A والشحنة الموجبة +Q على اللوح الآخر.
المتسعات أو المكثفات أنواع تعتمد على طريقة تصنيعها واستخدامها منها:- - المتسعات أو المكثفات الورقية - المتسعات أو المكثفات الكمياوية - المتسعات أو المكثفات الهوائية.
تقاس سعة المكثف بوحدة الـفاراد واجزاءها بيكو فراد ونانو فراد وميكرو فراد .
السعة:
تعرف قدرة المكثف على تخزين الشحنة الكهربية بالسعة الكهربية أو السعة ووحدة قياسها الفاراد، وتحسب قيمة سعة المكثف كالآتي:
نستنتج من هذا القانون أن اختيار قيمة المكثف في الدائرة الإلكترونية تتحدد بعاملين أساسيين هما سعة المكثف، وقيمة فرق الجهد المطبق على طرفيه، ووحدة قياس سعة الفاراد يمكن تقسيمها إلى وحدات أصغر هي:
العوامل المؤثرة على سعة المكثف:
يوجد ثلاثة عوامل أساسية تؤثر على سعة المكثف بصورة مباشرة وهذه العوامل هي:
إن سعة المكثف تتناسب طرديا مع المساحة السطحية للألواح، فإذا زادت مساحة سطح اللوح زادت سعة المكثف وذلك لزيادة استيعابه للشحنات الكهربائية، وبالعكس تقل سعة المكثف كلما قلت هذه المساحة.
ب- المسافة بين الألواح (d):
تقل السعة عندما تزداد المسافة بين الألواح وتزداد كلما قلت تلك المسافة أي أنه يوجد تناسب عكسي بين سعة المكثف والمساحة بين ألواحه.
ج- الوسط العازل (المادة العازلة) ε:
تتغير سعة المكثف بتغير المادة العازلة بين الألواح ويعتبر الهواء الوحدة الأساسية لمقارنة قابلية عزل المواد الأخرى المستعملة في صناعة المكثفات. يوجد لكل مادة ثابت عزل يطلق عليه ابسلونε
مما سبق نجد أن سعة المكثف بدلالة المساحة السطحية للألواح (a) والمساحة بين الألواح d وثابت العزل للمادة العازلةε يكون:
والجدول التالي يبين قيمة ثابت العزلεr لبعض المواد المستعملة في صناعة المكثفات.
وثابت العزلε في المعادلة يساوي حاصل ضرب ثابت العزل للهواءεo مضروب في ثابت العزل النسبي للمواد العازلة، بالتالي تكون
المفاعلة (مقاومة المكثف الأومية):
المكثف الكهربي له مقاومة أوميةXc (لأنها تقاس بوحدة الأوم) تتغير مع التردد(F) وتتناسب عكسيا مع كل من السعةC والترددF ، ويمكن حسابها من القانون التالي:
في حالة التيار المستمر تكون قيمة الترددF تساوي (صفر)، وتكون بالتالي قيمة مقاومة المكثف الأوميةXc كبيرة جدا (ما لا نهاية) وبذلك فإن المكثف يمنع مرور التيار المستمر في الدائرة، بينما يمرر التيار المتغير وهذه الخاصية تعد أهم وظائف استعمالات المكثف في الدائرة الإلكترونية.
توصيل المكثفات على التوازي:
توصل المكثفات على التوازي للحصول على سعة كلية كبيرة تساوي مجموع سعة المكثفات المتصلة على التوازي في الدائرة.
توصيل المكثفات على التوالي:
توصل المكثفات على التوالي للحصول على سعة كلية صغيرة أقل من أصغر سعة مكثف موجودة في الدائرة.
في حالة مكثفين على التوالي فإن السعة الكليةC تساوي
نستنتج مما سبق أنه عند حساب القيمة الكلية لسعة مكثفات موصلة على التوالي يكون طريقة الحساب على عكس المتبع في المقاومات.
أنواع وأشكال المكثفات:
يطلق على المكثف ذي السعة الثابتة (المكثف الثابت)، أما المكثف الذي يمكن تغيير سعته (وذلك بتغيير المساحة المحصورة بين الألواح) فيطلق عليه اسم المكثف المتغير. يوجد أيضا نوع ثالث من المكثفات يمكن أن نتحكم في تغيير سعته، أو يترك دون تعديل لفترات زمنية طويلة ويطلق عليه اسم (مكثف تريمر) الذي قد نلجأ لضبط قيمته عند إجراء أعمال الصيانة والإصلاح في الدائرة الإلكترونية.
والشكل التالي يبين الرموز الاصطلاحية لهذه الأنواع من المكثفات.
بعض الأشكال العملية الشائعة للمكثفات:
يبين الشكل التالي بعض الأشكال العملية الشائعة للأنواع المختلفة التي تم شرحها من المكثفات.
استعمالات المكثف في الدائرة إلكترونية :
1- يستعمل المكثف لإمرار التيار المتغير ومنع مرور التيار المستمر في الدائرة الإلكترونية، حيث يعمل (كمكثف ربط) Coupling أو (مكثف تسريب) Bypass كما هو مبين في الأشكال التالية.
2- يستعمل المكثف الكيماوي للشحن والتفريغ في دوائر التنعيم التي تحول التيار المتغير إلى تيار مستمر.
3- يستعمل المكثف الكيماوي كبير السعة في دوائر فلاش كاميرا التصوير حيث يخزن شحنات كهربية عالية، وعندما يفرغ فجأة يعطي الضوء الأبيض الباهر اللازم لعملية التصوير.
4- يستعمل المكثف المتغير على التوازي مع ملف لاختيار المحطات (الترددات) في جهاز الراديو أو جهاز التلفزيون، كما هو مبين في الشكل التالي.
5- يوصل المكثف مع المقاومة في الدائرة الإلكترونية للحصول على أشكال موجات متنوعة ويطلق على الدائرة في هذه الحالة دائرة تفاضل أو دائرة تكامل، كما هو مبين في الأشكال التالية.
المصدر :www.qalqilia.edu.ps
السعة:
تعرف قدرة المكثف على تخزين الشحنة الكهربية بالسعة الكهربية أو السعة ووحدة قياسها الفاراد، وتحسب قيمة سعة المكثف كالآتي:
تعرف قدرة المكثف على تخزين الشحنة الكهربية بالسعة الكهربية أو السعة ووحدة قياسها الفاراد، وتحسب قيمة سعة المكثف كالآتي:
نستنتج من هذا القانون أن اختيار قيمة المكثف في الدائرة الإلكترونية تتحدد بعاملين أساسيين هما سعة المكثف، وقيمة فرق الجهد المطبق على طرفيه، ووحدة قياس سعة الفاراد يمكن تقسيمها إلى وحدات أصغر هي:
العوامل المؤثرة على سعة المكثف:
يوجد ثلاثة عوامل أساسية تؤثر على سعة المكثف بصورة مباشرة وهذه العوامل هي:
يوجد ثلاثة عوامل أساسية تؤثر على سعة المكثف بصورة مباشرة وهذه العوامل هي:
أ- المساحة السطحية لألواح المكثف (a):
إن سعة المكثف تتناسب طرديا مع المساحة السطحية للألواح، فإذا زادت مساحة سطح اللوح زادت سعة المكثف وذلك لزيادة استيعابه للشحنات الكهربائية، وبالعكس تقل سعة المكثف كلما قلت هذه المساحة.
إن سعة المكثف تتناسب طرديا مع المساحة السطحية للألواح، فإذا زادت مساحة سطح اللوح زادت سعة المكثف وذلك لزيادة استيعابه للشحنات الكهربائية، وبالعكس تقل سعة المكثف كلما قلت هذه المساحة.
ب- المسافة بين الألواح (d):
تقل السعة عندما تزداد المسافة بين الألواح وتزداد كلما قلت تلك المسافة أي أنه يوجد تناسب عكسي بين سعة المكثف والمساحة بين ألواحه.
تقل السعة عندما تزداد المسافة بين الألواح وتزداد كلما قلت تلك المسافة أي أنه يوجد تناسب عكسي بين سعة المكثف والمساحة بين ألواحه.
ج- الوسط العازل (المادة العازلة) ε:
تتغير سعة المكثف بتغير المادة العازلة بين الألواح ويعتبر الهواء الوحدة الأساسية لمقارنة قابلية عزل المواد الأخرى المستعملة في صناعة المكثفات. يوجد لكل مادة ثابت عزل يطلق عليه ابسلونε
تتغير سعة المكثف بتغير المادة العازلة بين الألواح ويعتبر الهواء الوحدة الأساسية لمقارنة قابلية عزل المواد الأخرى المستعملة في صناعة المكثفات. يوجد لكل مادة ثابت عزل يطلق عليه ابسلونε
مما سبق نجد أن سعة المكثف بدلالة المساحة السطحية للألواح (a) والمساحة بين الألواح d وثابت العزل للمادة العازلةε يكون:
والجدول التالي يبين قيمة ثابت العزلεr لبعض المواد المستعملة في صناعة المكثفات.
وثابت العزلε في المعادلة يساوي حاصل ضرب ثابت العزل للهواءεo مضروب في ثابت العزل النسبي للمواد العازلة، بالتالي تكون
المفاعلة (مقاومة المكثف الأومية):
المكثف الكهربي له مقاومة أوميةXc (لأنها تقاس بوحدة الأوم) تتغير مع التردد(F) وتتناسب عكسيا مع كل من السعةC والترددF ، ويمكن حسابها من القانون التالي:
المكثف الكهربي له مقاومة أوميةXc (لأنها تقاس بوحدة الأوم) تتغير مع التردد(F) وتتناسب عكسيا مع كل من السعةC والترددF ، ويمكن حسابها من القانون التالي:
في حالة التيار المستمر تكون قيمة الترددF تساوي (صفر)، وتكون بالتالي قيمة مقاومة المكثف الأوميةXc كبيرة جدا (ما لا نهاية) وبذلك فإن المكثف يمنع مرور التيار المستمر في الدائرة، بينما يمرر التيار المتغير وهذه الخاصية تعد أهم وظائف استعمالات المكثف في الدائرة الإلكترونية.
توصيل المكثفات على التوازي:
توصل المكثفات على التوازي للحصول على سعة كلية كبيرة تساوي مجموع سعة المكثفات المتصلة على التوازي في الدائرة.
توصل المكثفات على التوازي للحصول على سعة كلية كبيرة تساوي مجموع سعة المكثفات المتصلة على التوازي في الدائرة.
توصيل المكثفات على التوالي:
توصل المكثفات على التوالي للحصول على سعة كلية صغيرة أقل من أصغر سعة مكثف موجودة في الدائرة.
توصل المكثفات على التوالي للحصول على سعة كلية صغيرة أقل من أصغر سعة مكثف موجودة في الدائرة.
في حالة مكثفين على التوالي فإن السعة الكليةC تساوي
نستنتج مما سبق أنه عند حساب القيمة الكلية لسعة مكثفات موصلة على التوالي يكون طريقة الحساب على عكس المتبع في المقاومات.
أنواع وأشكال المكثفات:
يطلق على المكثف ذي السعة الثابتة (المكثف الثابت)، أما المكثف الذي يمكن تغيير سعته (وذلك بتغيير المساحة المحصورة بين الألواح) فيطلق عليه اسم المكثف المتغير. يوجد أيضا نوع ثالث من المكثفات يمكن أن نتحكم في تغيير سعته، أو يترك دون تعديل لفترات زمنية طويلة ويطلق عليه اسم (مكثف تريمر) الذي قد نلجأ لضبط قيمته عند إجراء أعمال الصيانة والإصلاح في الدائرة الإلكترونية.
والشكل التالي يبين الرموز الاصطلاحية لهذه الأنواع من المكثفات.
يطلق على المكثف ذي السعة الثابتة (المكثف الثابت)، أما المكثف الذي يمكن تغيير سعته (وذلك بتغيير المساحة المحصورة بين الألواح) فيطلق عليه اسم المكثف المتغير. يوجد أيضا نوع ثالث من المكثفات يمكن أن نتحكم في تغيير سعته، أو يترك دون تعديل لفترات زمنية طويلة ويطلق عليه اسم (مكثف تريمر) الذي قد نلجأ لضبط قيمته عند إجراء أعمال الصيانة والإصلاح في الدائرة الإلكترونية.
والشكل التالي يبين الرموز الاصطلاحية لهذه الأنواع من المكثفات.
بعض الأشكال العملية الشائعة للمكثفات:
يبين الشكل التالي بعض الأشكال العملية الشائعة للأنواع المختلفة التي تم شرحها من المكثفات.
يبين الشكل التالي بعض الأشكال العملية الشائعة للأنواع المختلفة التي تم شرحها من المكثفات.
1- يستعمل المكثف لإمرار التيار المتغير ومنع مرور التيار المستمر في الدائرة الإلكترونية، حيث يعمل (كمكثف ربط) Coupling أو (مكثف تسريب) Bypass كما هو مبين في الأشكال التالية.
2- يستعمل المكثف الكيماوي للشحن والتفريغ في دوائر التنعيم التي تحول التيار المتغير إلى تيار مستمر.
3- يستعمل المكثف الكيماوي كبير السعة في دوائر فلاش كاميرا التصوير حيث يخزن شحنات كهربية عالية، وعندما يفرغ فجأة يعطي الضوء الأبيض الباهر اللازم لعملية التصوير.
4- يستعمل المكثف المتغير على التوازي مع ملف لاختيار المحطات (الترددات) في جهاز الراديو أو جهاز التلفزيون، كما هو مبين في الشكل التالي.
5- يوصل المكثف مع المقاومة في الدائرة الإلكترونية للحصول على أشكال موجات متنوعة ويطلق على الدائرة في هذه الحالة دائرة تفاضل أو دائرة تكامل، كما هو مبين في الأشكال التالية.
المصدر :www.qalqilia.edu.ps
قويدر بن حرزالله مؤسس شبكة فرسان الهندسة .