المكثفات هي جهاز سلبي بسيط يمكنه تخزين شحنة كهربائية على لوحاته عند توصيله بمصدر جهد، والمكثف الكهربائي هو مكون لديه القدرة أو “الادارة” على تخزين الطاقة في شكل شحنة كهربائية تنتج فرق الجهد (الجهد الثابت) عبر لوحاتها، مثل البطارية الصغيرة القابلة لإعادة الشحن .
المكثف الكهربائي
هناك العديد من الأنواع المختلفة من المكثفات المتاحة من المكثفات الصغيرة جدا المستخدمة في دوائر الرنين، إلى المكثفات الكبيرة لتصحيح معامل القدرة، لكنهم جميعا يقومون بنفس الشيء ويقومون بتخزين الشحن، ويتكون المكثف في شكله الأساسي من لوحين أو أكثر من الموصلات المتوازية (المعدنية) غير الموصولة أو اللامسة لبعضهما البعض، ولكن يتم فصلهما كهربائيا إما عن طريق الجو أو عن طريق شكل مادي جيد من المواد العازلة مثل الورق المشمع، الميكا، والسيراميك والبلاستيك أو شكل من أشكال هلام السائل كما هو الحال في المكثفات كهربائيا، وتسمى الطبقة العازلة بين لوحات المكثفات عادة بعازل كهربائي .
المكثف النموذجي
بسبب هذه الطبقة العازلة لا يمكن أن يتدفق التيار المستمر عبر المكثف لأنه يحول دون السماح بوجود جهد كهربائي عبر اللوحات في شكل شحنة كهربائية، ويمكن أن تكون الألواح المعدنية الموصلة للمكثف إما مربعة أو دائرية أو مستطيلة، أو يمكن أن تكون على شكل أسطواني أو كروي مع الشكل العام والحجم والبناء لمكثف لوحة موازية اعتمادا على تطبيقه وتصنيف الجهد، وعند استخدامه في دارة تيار مستمر، يقوم المكثف بشحن ما يصل إلى فولطية الإمداد الخاصة به ولكنه يمنع تدفق التيار عبره لأن عازل المكثف غير موصل، ويكون عازلا بشكل أساسي، ومع ذلك عند توصيل مكثف بدائرة التيار المتردد أو دائرة التيار المتردد، يبدو أن تدفق التيار يمر مباشرة من خلال المكثف مع مقاومة ضئيلة أو معدومة .
وهناك نوعان من الشحنة الكهربائية، الشحنة الموجبة في شكل بروتونات وشحنة سالبة في شكل الإلكترونات، وعندما يتم وضع جهد التيار المستمر عبر مكثف، تتراكم الشحنة الموجبة (+ ve) بسرعة على لوحة واحدة بينما تتراكم الشحنة السلبية المقابلة (-ve) على اللوحة الأخرى، ولكل جسيم من شحنة + ve يصل إلى صفيحة واحدة سوف تغادر شحنة من نفس العلامة من صفيحة –ve، ثم تبقى اللوحات محايدة الشحنة ويوجد فرق محتمل بسبب هذه الشحنة بين الطبقتين، وبمجرد وصول المكثف إلى حالته المستقرة يتعذر على التيار الكهربائي التدفق عبر المكثف نفسه وحول الدائرة بسبب الخصائص العازلة للعزل الكهربائي المستخدم لفصل الألواح .
المكثف وتدفق الإلكترونات
يعرف تدفق الإلكترونات على الصفائح باسم تيار الشحن المكثف الذي يستمر في التدفق حتى يساوي الجهد عبر كلا الصفحتين (وبالتالي المكثف) الجهد الكهربي المطبق، وعند هذه النقطة يقال إن المكثف “مشحون بالكامل” بالإلكترونات، وتبلغ قوة أو معدل تيار الشحن هذا أقصى قيمته عندما يتم تفريغ الألواح بالكامل (الشرط الأولي) وتقل القيمة ببطء إلى الصفر حيث تشحن اللوحات فرقا يصل إلى فرق محتمل عبر لوحات المكثفات مساوية لجهد المصدر، ويعتمد مقدار الفرق المحتمل الموجود عبر المكثف على مقدار الشحنة المودعة على اللوحات من خلال العمل الذي يتم بواسطة الجهد المصدر وأيضا مقدار السعة الموجودة في المكثف .
مكثف اللوحة الموازية
.
هو أبسط أشكال المكثف، ويمكن تصنيعه باستخدام صفائح معدنية أو رقائق معدنية على مسافة موازية لبعضها البعض، ومع قيمة السعة في فاراد يتم تثبيتها بواسطة مساحة سطح الألواح الموصلة ومسافة الفصل بينهما، وتغيير أي اثنين من هذه القيم يغير قيمة السعة الخاصة به، وهذا يشكل الأساس لتشغيل المكثفات المتغيرة، وأيضا نظرا لأن المكثفات تخزن طاقة الإلكترونات في شكل شحنة كهربائية على اللوحات، كلما كبرت الصفائح و أو أصغر فصلها، ستكون الشحنة التي يحملها المكثف لأي جهد معين عبر لوحاته أكبر، وبعبارة أخرى لوحات أكبر، ومسافة أصغر والمزيد من السعة .
ومن خلال تطبيق الجهد على مكثف وقياس الشحنة على اللوحات فإن نسبة الشحنة Q إلى الجهد V ستمنح قيمة السعة للمكثف وبالتالي تعطي على النحو التالي، C = Q / V ، ويمكن أيضا إعادة هذه المعادلة بترتيب لإعطاء الصيغة المألوفة لكمية التهمة على اللوحات على النحو التالي Q = C x V،وعلى الرغم من أننا قلنا أن الشحنة يتم تخزينها على ألواح المكثف إلا أنه أكثر دقة القول أن الطاقة داخل الشحنة يتم تخزينها في “حقل إلكتروستاتيكي” بين الصفيحتين، وعندما يتدفق التيار الكهربائي إلى المكثف فإنه يشحن لأعلى، لذلك يصبح الحقل الكهروستاتيكي أقوى بكثير لأنه يخزن المزيد من الطاقة بين اللوحات، وبالمثل مع تدفق التيار من المكثف وتصريفه ينخفض الفرق المحتمل بين الصفيحتين وينخفض الحقل الإلكتروستاتيكي مع انتقال الطاقة من الصفائح، وتسمى خاصية المكثف لتخزين الشحن على لوحاته في شكل مجال كهروستاتيكي بقدرة السعة، وليس ذلك فحسب بل السعة هي أيضا خاصية للمكثف الذي يقاوم تغيير الجهد عبره
السعة للمكثف الكهربائي
السعة هي خاصية كهربائية للمكثف وهي مقياس لقدرة المكثفات على تخزين شحنة كهربائية على لوحتيها ووحدة السعة هي فاراد (اختصار لـ F) والتي سميت باسم الفيزيائي البريطاني مايكل فاراداي، وتعرف السعة على أنها تحتوي على مكثف واحد من فاراد عندما يتم تخزين شحنة من كولوم على اللوحات بواسطة جهد واحد فولت، ولاحظ أن السعة C دائما ما تكون ذات قيمة إيجابية ولا تحتوي على وحدات سالبة، ومع ذلك فإن فاراد هي وحدة قياس كبيرة جدا لاستخدامها بمفردها .
