المواسعات والمكثفات الكهربائية Capacitors

المواسعات والمكثفات الكهربائية Capacitors من أهم العناصر الكهربائية في عالم الكهرباء, فما هو المكثف ؟ وما التركيب الأساسي للمكثف ؟ وكيف يخزن المكثف الشحنة ؟ وما هي المواسعة وما وحدة قياسها ؟ وما هي الخواص الفيزيائية للمكثفات ؟ وما أنواع المكثفات ؟ وكيف يمكن قياس المكثف ؟ وما هي تطبيقات واستخدامات المكثف ؟

هي الاسئلة وغيرها ستتمكن من الإجابة عليها بعد قراءة كامل المقال.

المواسع أو المكثف مصطلحان لهما نفس المعنى.

ما هو المكثف Capacitor

هو عنصر كهربائي يستخدم في الدوائر الإلكترونية والكهربية مع العناصر الأخرى مثل المقاومات والملفات وما يميزه انه يقوم بتخزين الطاقة الكهربائية. له أشكال عديدة ومختلفة وأنواع نتعرف عليها لاحقا، الشكل التالي يوضح مجموعه من المكثفات الكهربية.

التركيب الأساسي للمكثف

أي لوحين (موصلين) موضوعان بالقرب من بعضهما وبينهما مادة عازلة تنشأ بينهما مواسعة كهربية Capacitance, تعتمد في مقدارها على نوع مادتي الموصل، ومساحة سطحيهما (A)، والمسافة التي تفصلهما (d) ونوع المادة العازلة الموجودة بينهما. هذا التركيب يعرف بالمكثف. الشكل التالي يوضح تركيب المكثف ومفهوم السعه الكهربائية.

تنشا السعة الكهربائية بين لوحي المكثف كما بالشكل السابق.

دعنا نعتبر أن المكثف غير مشحون وتم توصيله بالبطارية، في هذه الحالة تتراكم الشحنات الموجبة والسالبة على اللوحين، بنفس قطبية المصدر الكهربائي أو البطارية أي أن اللوح الموصل بالطرف الموجب للبطارية تتراكم عليه شحنات موجبة وكذلك بالنسبة للوح السالب تتراكم عليه الشحنات السالبة، تنتقل الشحنات من المصدر إلى المكثف عبر الموصلات الخارجية (الأسلاك) ويكون هنالك بالتأكيد مجال كهربي حول الأسلاك أثناء انتقال هذه الشحنات، يستمر هذا الانتقال حتي الوصول إلي نقطه أو مرحله تعرف بمرحله الاتزان.

تراكم هذه الشحنات يؤدي إلى نشوء فرق في الجهد بين الموصلين (اللوحين) وعند الاتزان لا يكون هنالك انتقال للشحنات من المصدر إلي الألواح ويكون كل من اللوحين قد تشبع بالشحنات ويصبح فرق الجهد بينهما مساويا لفرق الجهد بين طرفي المصدر، في هذه الحالة نقول أن المكثف قد شحن كليا جهد المصدر.

كلما زادت مساحة سطح الموصل أو اللوح، زادت كمية الشحنات المتراكمة Q وبالتالي تزيد سعة المكثف في هذه الحالة، منطقيا كلما زاد فرق الجهد ∆V (جهد المصدر) المطبق على اللوحين يزداد تزاحم الشحنات المتراكمة عليهما أي أنّ

Q ∝ ∆V

حيث أن:
Q : تمثل مقدار الشحنة الكهربائية مقاسه بوحدة الكولوم .
∆V : يمثل فرق الجهد بين اللوحين مقاسا بالفولت.

ثابت التناسب بين كميه الشحنات وفرق الجهد يعرف بالسعة الكهربائية، وعليه يمكن كتابه المعادلة السابقة:

Q = C * ∆V

C : تمثل السعة أو المواسعة الكهربائية للمكثف وتقاس بوحدة F الفاراد (Farad)

من العلاقة السابقة يمكن اشتقاق تعريف المواسعة أو السعة الكهربية, بوضع السعة موضع قانون نجد أن:

C = Q / ∆V ,Farad

أي أن سعة المكثف هي مقدار الشحنات المتراكمة علي لوحي المكثف نتيجة لفرق الجهد المطبق عليهما.
إذا طبقنا جهد مقداره 1 فولت علي لوحي مكثف وكانت الشحنات المتراكمة على اللوحين تعادل 1 كولوم فان سعة المكثف في هداة الحالة تكون 1 فاراد. وحقيقة، وحده الفاراد هي وحده كبيرة جدا بالنسبة للمكثفات الموجودة في الدوائر العملية لذلك غالبا ما نجدها بسعات تتراوح بين المايكرو والبيكو فاراد.
حساب السعه فيزيائيا:
تحسب السعه فيزيائيا وفق العلاقة التالية، بالرجوع إلي الشكل رقم 2 من هذا الموضوع

C = (ϵ * A) / d

حيث أنّ:
A تمثل مساحة سطح كل من اللوحين بالمتر المربع.
ε تمثل ثابت العزل للوسط الموجود بين اللوحين (سماحية العازل). وتساوي حاصل ضرب ثابت العزل للهواء ϵ_° مضروبا في ثابت العزل للوسط إن كان الوسط العازل ليس الهواء.
d تمثل المسافة بين اللوحين بالمتر.

أنواع المكثفات

يمكن تصنيف المواسعات والمكثفات الكهربائية اعتمادا على عدة عوامل منها:

1. على حسب نوع المادة العازلة بين اللوحين (وبالتالي يكون نوعها إما الالكترولايت، أو الميكا، أو السراميك، أو البلاستيك).
   إذا كانت المادة العازلة بين اللوحين سيراميك يسمي في هذه الحالة مكثف سيراميك، واذا كانت مادة كيميائية يسمي الكترولايتي وإذا كانت الهواء يسمى مكثف هوائي وهكذا.
2. على حسب السعة (ثابتة أو متغيرة)
   المكثفات الثابتة هي التي تصنع بقيمة واحدة فقط كما في الأنواع الموجودة على الشكل 1 ويرمز لها في الدوائر بهذا الرمز:

أما المكثفات المتغيرة يمكن التحكم في قيمتها وتغييرها، آليه التغيير في هذا النوع تكون وفق العلاقة المذكورة سابقا:

C = (ϵ * A) / d

أي انه يمكن تصنيع مكثفات متحكم في قيمتها عن طريق إمكانية تغيير كل من البعد بين اللوحين أو مساحة سطح اللوحين، الشكل التالي يوضح هذا النوع من المكثفات المتغيرة السعة أو المواسعة:

عند دوران العمود يتحرك السطح المتحرك ويتداخل مع السطح الثابت وهكذا. يرمز لها بالرمز التالي:

3. هنالك نوع خاص من المكثفات نظرا لصغر حجمه ويعرف بـ SMD-Capacitor. هذا النوع يميزه فقط انه صغير الحجم. الشكل التالي يوضح هذا النوع:

 

4. المكثفات القطبية وغير القطبية: هذه المكثفات تصنع ثابتة السعة ولكن عند توصيلها يجب مراعاة قطبية التوصيل الموضحة عليها، لا تختلف في الشكل من سابقيها ولكن فقط تختلف في رمزها والشكل التالي يوضح هذا النوع:

الشكل التالي يوضح بعض أنواع المكثفات:

كيفية قياس المكثفات

يمكن قياس قيمة المكثف من خلال جهاز يسمى بـ جهاز قياس المواسعة Capacitance meter. انظر الصورة التالية التي توضح الجهاز:

مع العلم أن قيمة المواسعة قد تكون مكتوبة على المكثف نفسه كما في بعض المكثفات.

توصيل المكثفات على التوالي وعلى التوازي وحساب المواسعة المكافئة

يمكن توصيل المكثفات في الدائرة على التوالي أو التوازي مثل المقاومات الكهربائية ولكن تختلف في حساب المواسعة المكافئة لمجموعه المكثفات الموصلة.

المكثفات على التوازي

في هذه الحالة تكون المواسعة أو السعة المكافئة تساوي حاصل جمع سعات المكثفات والشكل التالي يوضح كيفية الحساب:

C_eq = C₁ + C₂ + C₃ + … + C_n

حيث أن القانون أعلاه يعطي مقدار السعة المكافئة لمجموعة مكثفات موصولة على التوازي.

المكثفات على التوالي

لاحظ الصورة التالية لكيفية حساب السعة المكافئة لمجموعة مكثفات موصولة على التوالي مع العلاقة التي بعدها.

مثال على حساب السعة المكافئة

احب المواسعة المكافئة للمكثفات الموصولة كما بالصورة التالية:

في الشكل (a) سنقوم باختصار فرعي التوازي الموجودين وإيجاد المكافئ لهما وفق قانون السعة المكافئة للتوازي:

C_1eq = 1 + 3 = 4 farad

C_2eq = 6 + 2 + 8 F

في الشكل (b), اصبح للدائرة فرعين فقط في كل فرع توجد مجموعة على التوالي وسيتم إيجاد السعة لهما بعلاقة التوالي.

وكذلك الأمر بالنسبة للفرع الأسفل

نلاحظ انه تم تقليص الدائرة شيئا فشيئا حتى الوصول إلي الشكل (c)  فأصبح لدينا مجموعتين موصلين علي التوازي وتكون السعه المكافئة لهما تساوي

C_eq = 4 + 2 = 6 farad

تطبيقات واستخدامات المكثف

تستخدم المواسعات والمكثفات الكهربائية بصورة شائعه جدا في الدوائر الكهربية المختلفة لأغراض وتطبيقات عديدة، سنذكرها وسنقوم بشرح أحد التطبيقات بشكل تفصيلي ومن هذه التطبيقات:

أ) دوائر التنعيم: : تربط المكثفات علي التوازي مع الخرج لتنعيم الموجة عند تحويلها من موجة مترددة إلي موجة مستمرة وهو ما يحدث بالضبط في دوائر شواحن الأجهزة والحواسيب حيث يكون خرج الشاحن مأخوذا من نقاط المكثف ذلك لأنها نعطي موجة خرج أشبه بموجة الجهد المستمر.

في الشكل التالي: الشكل (أ) عبارة عن موجة تيار مترددة لديها نصف موجب (أعلى الخط الأفقي) ونصف سالب (أسفل الخط الأفقي). في دوائر التقويم (أي دوائر تحويل الجهد المتر رالي جهد مباشر) تتحول أجزاء الموجة السفلية إلي اعلي ويصبح شكلها كما في الشكل (ب).

ولكن الموجة الخارجة في الشكل (ب) ليست بالشكل المناسب إذ أننا نريد أن نجعلها بقدر الإمكان مشابهة لموجة الجهد المستمر التي يتم الحصول عليها من المصادر المباشرة مثل البطاريات كما بالشكل التالي:

وعندما نقوم بتركيب المكثف علي التوازي مع الحمل (مع خرج الشاحن الأساسي) سيتحول شكل الموجة من الشكل (ب) إلي الشكل التالي:

نلاحظ أن شكل الموجة الجديد اصبح قريب من الخط (موجة الجهد المستمر المطلوبة) مع وجود تموج بسيط هذا التموج يتم التحكم فيه عن طريق دوائر أخري وأيضا عن طريق حساب المقدار الأمثل لسعة المكثف المطلوب، نلاحظ أن جميع تطبيقات المكثف تميل إلي التخصص والتعمق في المفاهيم الكهربية والإلكترونية ولكن هذا المثال واقع يتعامل معه الكثير لذلك تم تفصيله.

ب- دوائر المرشحات أو ما يعرف بالفلاتر.

ج- دوائر تحسين معامل القدرة في الشبكات الكهربائية.

د- دوائر التوقيت.

هـ – وغيرها الكثير من التطبيقات المختلفة.

هكذا يكون مقالنا عن المواسعات والمكثفات الكهربائية قد انتهى, فلا تترددوا في طرح أسئلتكم واستفساراتكم ولا تنسوا مشاركة رابط المقال مع أصدقائكم.