المكثف في الفيزياء

علم الفيزياء هو نوعٌ من أنواع العلوم الطبيعية، كالكيمياء والعلوم الحيوية، وهو علمٌ يدرس المادة والطّاقة بأنواعها سواء كانت كهربائية أو حركية. وبشكلٍ عام يمكننا القول بأنَّ الفيزياء تدرس وتهتم يالبحث حول الأجسام الطّبيعية، وتعتمد على التجربة والملاحظة، كالتّجارب الّتي تهتم بطاقة الكهرباء والخلايا الكهربائية.

المكثف في الفيزياء أو كما يطلق عليه أيضًا السّعة: وهو واحد من مكونات الدّارة الكهربائية وهو جسمٌ (شيء) يخزن الشحنات الكهربائية لوقتٍ محدد ويعيد إطلاقها من جديد، ويُعَدُّ السلاح الأول في الأدوات الكهربائيّة؛ لأنّه يتواجد في معظمها، ويعتبر مصدر مهم لحماية القطع الأساسية التّي يتكوّن منها الجهاز الكهربائيّ.

يتركّب المكثف من قطعتين (لوحين) موصولتين، تحمل كلًا منهما شحنة موجبة (بروتونات) وشحنة سالبة (الكترونات) متساويتان بالمقدار. وهناك عدّة أنواع للمكثف حسب نوع المادة العازلة وهي:

  • مكثفات متغيرة السعة: ولها نوع واحد وهو المكثف الهوائي الّذي يكون المادة العازلة، وهو الهواء الموضوع بين طرفي (لوحيّ) المكثف. إنَّ المكثفات الهوائية مكونة من مجموعة صفائح متغيرة، لهذا سعة المكثف تتغير بتغير المساحة العامّة للألواح، كما أن هذا النّوع من المكثفات يستخدم في الراديو.
  • مكثفات ثابتة السّعة: ولها عدّة أنواع منها المكثف البلاستيكي الذي يكون المادة العازلة، وهو البلاستيك المتَوضّع بين لوحي المكثف. ومكثف الميكا، مادة الميكا تكون متواجدة في هذا المكثف ويتم حجبهِ بطبقة بلاستيكية؛ وذلك لمنعهِ بالتّأثر بالعوامل الخارجيّة مثل الرطوبة وغيرها. اولمكثف السّيراميكي حيث تكون المادة الداخلة في عزل هذا المكثف هي السّيراميك أو الخزف، ويستخدم هذا النوع من المكثفات في الدارة الإلكترونية الّتي تتطلب ترددات مرتفعة. والمكثف الورقي فتكون المادة العازلة فيه هيَ الورق المُشبّع بالزيت أو الشّمع ويمكن استخدامهُ في الترددات.
  • مكثفات قطبية السّعة: تعدُّ من أهم المكثفات ولها نوع واحد وهوَ المكثف الكيميائيّ. تكون المحاليل الكيميائية أو المركبات الكيميائية هي المادة العازلة بين طرفي (لوحي) المكثف.عادةً القطب الموجب لهذا المكثف يكون مصنوع من الألمنيوم ومادتهُ العازلة تكون طبقة رقيقة من أكسيد الألمنيوم.

وللمكثف عدّة استخدامات أهمّها:

  • ترشيح التّيار الكهربائي وذلك من خلال ترشيح ترددات التّيار الكهربائي.
  • توقيف أو منع التّيار الكهربائي المستمر: ويعدّ من أهم وأبرز استخدامات المكثفات الكهربائية حيث يمنع مرور التّيار في الدّارات الكهربائية.
  •  تنظيم الفولتيه: وذلك بقدرته على التّحكم والضّبط بالإستطاعة (القدرة) النّاتجة من التنظيم الكهربائي.
  • تحسين معامل القدرة: ويعدّ من أهم الاستخدامات في مجال المكثفات لأنّة يعمل على خفض نسبة استهلاك وصرف الطّاقة المبذولة والمهدورة في الأجهزة الّتي تعكس سلبًا على قدرة (استطاعة) الأجهزة الكهربائية.

وهناك عدّة أسباب تؤثر على سعة المكثف بشكل مباشر مثل مساحة السطح لأطراف (ألواح) المكثف، حيث هذه المساحة تتناسب طردًا مع سعة المكثف، فكّلما ارتفعت نسبة مساحة السّطح، كلّما ارتفعت سعة المكثف؛ بسبب استقبالها للشحنات الكهربائية.

والمسافة بين طرفي المكثف تتناسب عكسيًا مع سعة المكثف؛ فكلما قلّت المسافة بين الطرفين كلّما زادت سعة المكثف. ولا ننسى المادة العازلة فيه التي يلعب نوعها دورًا في سعة المكثف؛ ويعتبر الهواء بشكل عام العامل الأساسي للمقارنة بين قابلية عزل كلّ المواد الأخرى الدّاخلة في صناعة المكثف.

وللمكثفات تطبيقات في حياتنا اليومية أهمّها أنّها تستخدم كواحدة أساسية بالفلاتر الانتقالية للترددات كما لها تطبيقات في دارة الطنين. في النهاية إنَّ للمكثفات دور كبير في حياتنا اليومية ابتداءًا من الأجهزة الصغيرة جدّا حتّى الأجهزة الكهربائية الكبيرة الّتي تبسّط أعمالنا الكثيرة.

أكمل القراءة

المكثف هو جهاز بسيط يمكنه تخزين شحنة كهربائية (القدرة الكهربائية)  عند وصله إلى مصدر جهد كهربائي مستمر، حيث ينتج فرق كمون عبر لوحاته مُشبهاً بذلك بطارية صغيرة قابلة للشحن، أما عند استخدامه في دارات التيار المتناوب فإنه يسمح بمرور التيار بمقاومة قليلة أو معدومة.

يوجد أنواع مختلفة للمكثفات، ابتداءً من المكثفات الصغيرة جداً المستخدمة في الدارات الالكترونية وصولاً إلى المكثفات الكبيرة المستعملة لتصحيح معامل الطاقة، بكل الحالات هي جميعها تعمل بنفس مبدأ العمل، والذي يمثل بتخزن الطاقة.

بالشكل الأساسي  يتكون المكثف من لوحين موصلين (معدن) متوازيين، يمكن أن يكونا مربعين، مستطيلين أو دائريين، غير متصلين مع بعضهما البعض، يفصل بينها عن طريق مادة عازلة كالهواء، أو الورق المشمع، أو الميكا، أو السيراميك، أو البلاستيك أو شكل من أشكال الهلام السائل كما هو الحال في المكثفات الإلكتروليتية، وتسمى هذه الطبقة العازلة بالعازل.

يمنع العازل مرور التيار المستمر من خلال المكثف مما يؤدي إلى تشكل جهد عبر الألواح الكهربائية على شكل شحنة كهربائية (يكون لهذه الشحنة قيمة محددة يصل لها المكثف حسب نوعه).

حيث يوجد نوعين من الشحنات الكهربائية، شحنة كهربائية موجبة تسمى بروتونات، وشحنة كهربائية سالبة تسمى إلكترونات، عندما يتم وضع المكثف على جهد تيار مستمر تتراكم الشحنة الموجبة على إحدى ألواح المكثف، بينما تتراكم الشحنة السالبة على اللوح الآخر، مما يسبب فرق الجهد آنف الذكر .

إذن، عند تطبيق جهد تيار مستمر V  على المكثف، سيخزن شحنة كهربائية Q ، ويرتفع فرق الجهد بين اللوحين. وبالعكس، عند إزالة الجهد المطبق سيقوم التيار بالتدفق خارجاً من المكثف بما يسمى بالتفريغ، وينخفض فرق الجهد بين اللوحين.

تسمى خاصية المكثف لتخزين الشحنة على ألواحه على شكل حقل كهروستاتيكي بـ سعة المكثف، والتي هي أيضًا خاصية مقاومة المكثف لتغيير الجهد عبره .

ويمكن الحصول عليها من قسمة الشحنة المخزنة على فرق الجهد المطبق:

C = Q / V

تزداد سعة المكثف بزيادة سطح ألواحه وتقليل المسافة يبنهما، كما أن ثابت عزل المادة العازلة بين اللبوسين يلعب دورًا بزيادة أو نقصان السعة، وتقاس بالفارادي، وهي دوماً ذات قيمة موجبة حيث أنها لا تأخذ قيمة سالبة إطلاقًا، كما أن الفارادي واحدة كبيرة لتستخدام بمفردها، لذلك تستخدم مضاعفاتها الفرعية الميكروفاراد والنانوفاراد و البيكوفاراد، حيث:

  • 1 ميكروفاراد = 1 / 1,000,000 فاراد
  • 1 نانوفاراد = 1 / 1,000,000,000 فاراد
  • 1 بيكو فاراد = 1 / 1,000,000,000,000 فاراد

يجب الانتباه إلى أن جميع المكثفات تحتوي على معدل أقصى للجهد، يجب مراعاة مقدار الجهد الذي يطبق عبر المكثف،فإذا اصبح الجهد المطبق عبر المكثف كبيراً جداً سوف ينكسر العازل الكهربائي محدثاً ما يسمى بالانهيار الكهربائي، كما أن درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن تؤثر على درجات العزل، وفي الحالتين، فإن تيار التسرب من خلال العازل يصبح مرتفعاً، مما يؤدي إلى فقدان سريع للشحنة على الألواح وارتفاع درجة حرارة المكثف، مما يؤدي إلى فشل مبكر للمكثف، لذلك يجب الانتباه جداً الى عدم استخدام مكثف في دارة جهد أكبر من تصنيفه بكثير، حيث أنه من الممكن أن يصبح ساخناً وينفجر.

أخيراً هناك أنماط وأنواع مختلفة وكثيرة للمكثفات، لكل منها ميزاتها الخاصة وخصائصها وعيوبها، يجب اختيار المكثف المناسب من خلال هذه الخصائص حسب المطلوب وبدقة.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هو المكثف في الفيزياء؟"؟