المكثف هو أحدُ العناصرِ المستخدمةُ في  بناءِ الدّاراتِ الإلكترونية، ويتكوّن هذا العنصرُ بشكلٍ أساسيٍّ من لوحينِ متقابلين موصلين للتيّار

بحيثُ يفصلُ بينهما عازل وغالباً ما يكون هذان اللوحان عبارةً عن رقائقَ معدنيّةٍ موصلةٍ للكهرباء

أمّا العازلُ فقد يكون بلاستيكيّاً ملفوفاً بالكاملِ، أو قد يكونُ مصنوعاً من مادّة السّيراميك.

أمّا بالنسبة لآلية عمله، فهي تتمثل بعمليتيّ شحنٍ وتفريغٍ للتّيار الكهربائيّ داخل الدَّارة.

وباعتبار المكثف عنصراً غيرَ فعّالٍ (أي غير منتجٍ للطاقة)، فإن الشّحنة الكهربائيَّة التي يتلقاها تكون من مصدر للطَّاقة مثل البطارية

ستخزَّنُ على لبوسيّ المكثف (طرفيه الموصلين)، حيث يقوم أحد الطرفين بتخزين الشِّحنات الموجبة، بينما يقوم الطرفُ الآخر بتخزينِ الشحناتِ السّالبة

وفي هذه الحالةِ يصبح المكثّفُ مشحوناً، أمّا عملية التّفريغ فإنّها تتمُّ عند تفريغهِ لهذه الشِّحنات في الدَّارة.

تُعرَّفُ قدرةُ المكثّفِ على تخزين التّيار الكهربائيِّ بالسّعة وتُقاس بواحدة تُسمى الفاراد.

ماهي الموادُ التي يُصنع منها المكثف ؟

على الرَّغمِ من تنوُّعِ المكثفات إلا أنّها تمتلك نفس البنيةِ التصميميّة، حيث تتكوَّن بشكلٍ أساسيٍّ من لوحينِ موصلينِ متقابلين مصنوعين من مواد جيدة الناقليَّة بطبيعتها مثلَ النُّحاس الأصفرِ أو النُّحاسِ أوالألمنيوم.

بينما يتكون الفراغُ بينهما من مادةٍ غير موصلةٍ ويُعرف بالمنطقة العازلة وتتكوَّنُ هذهِ المنطقةُ من مواد مثل الورقِ المشمَّع أو السيراميك أو الميكا.

تُعزى قدرة ُ المكثف في سهولة الاحتفاظ بالشّحنة وتفريغه للطَّاقةِ.

آليّةُ شحن المكثف:

يحتوي المكثفُ غيرُ المشحونِ عادةً في لبوسيهِ على نفس كميَّة الشّحنات، وبالتالي تكون شدة الحقل الكهربائي بينهما مساويةً للصفر

ممَّا يعني أنَّه في بداية الشَّحن ستصلُ الدُّفعةُ الأولى من الشِّحنات الكهربائيةِ من دون بذل أيِّ عمل، بينما الدّفعات اللاحقة من الشِّحنات ستحتاج إلى بذل عملٍ, وهو انتقال الشحنات من أحد طرفي المكثف إلى طرفه الأخر باتجاه الحقل الكهربائي بينهما.

ونستنتج من ذلك، أنّه إذا كان V هو فرقَ الجهدِ بين لبوسيِّ المكثّف، فإنَّ كميَّة العملِ المبذول ∆W لنقلِ الشِّحنات الكهربائية q∆ من اللبوسِ منخفضِ الجهد إلى اللبوس مرتفعِ الجهد تُعطى بالعلاقة التالية :

∆W=V∆q

وهنا نلاحظ َّ فرق الجهدِ المقاسِ بين نقطتين A و B تتوافقُ مع العملِ المبذولِ على كلِّ واحدة شحنة لنقلها من A إلى B باتجاه الحقلِ الكهربائيِّ بينهما.

كما وتُعطى العلاقةُ بينَ فرقِ الجهدِ والشحنة ِ q المتراكمةِ على اللبوسين كالآتي:

q=CV (1)

وبناءً عليه سيكونُ العمل المبذول ∆W لنقلِ الشحنةِ ∆q من اللبوسِ المنخفضِ الجهد ِإلى اللبوس المرتفعِ الجهد باتِّجاه الحقلِ الكهربائيِّ  كالآتي:

∆W=q∆q/C

وبالتَّالي لإيجاد الطَّاقة المختزنةِ في المكثِّف عندَ شحنهِ إلى فرق الجهد النهائيِّ V بعد انتقال كلِّ أجزاءِ الشّحنة الكهربائيَّةِ Q من طرفِ المكثفِ إلى طرفهِ الآخر يجبُ علينا إضافةُ كلِّ الزياداتِ في الطَّاقة، وتُصبحُ العلاقة في التَّفاضلِ والتَّكاملِ كالآتي:

W=ʃdW=ʃq∆q/C     from(0 to Q)

 وَينتجُ عن ذلك:

W=1/2*(Q^2/C) (2)

وبالتَّعويض عن قيمةِ Q من (1) إلى (2) قدْ نجدُ تعابيرَ بديلةً لطاقةِ المكثفِ المشحونِ كالتَّالي:

W=1/2*(CV^2)

وأيضاً:

W=1/2*QV (3)

وأخيراً

عندما يزيدُ الجهدُ عبرَ المكثِّف، فإنَّه يسحبُ التَّيَّار من باقي الدَّارة، وبالتَّالي يعملُ هنا كحملٍ للطاقة كما في المقاومة

حيث يخرج التَّيار من الطَّرف الموجب ِإلى الطَّرف السَّالب وفي هذه الحالة نقول أن المكثفَ يُشحنُ

ونظراّ للعلاقة الطَّردية بين الجهدِ والمجالِ الكهربائيِّ، فكلَّما زادَ الجهد، زادَ فرقُ الجهدِ، وبالتَّالي ازدادَ المجالُ الكهربائي.

مصدر المقال: اضغط هنا

  • إعداد : المهندسة سهى عبدو
  • تدقيق : المهندسة رهف النداف
  • متابعة : المهندسة سوار ناصر
  • تحرير : المهندس بشار الحجي