تعد الدارات الإلكترونية جزءاً لا يتجزأ من جميع عمليات التقدم التكنولوجي التي تحدث في حياتنا اليوم.

إن التلفاز والراديو والهواتف والحواسيب هي أول ما يخطر في أذهاننا عندما نتكلم عن الدارات الإلكترونية

إلا أن هذه الإلكترونيات تُستخدم أيضًا في السيارات ذاتية القيادة، أجهزة المطبخ، المعدّات الطبية وأدوات التحكم الصناعية.

داخل كل من هذه الأجهزة يوجد مكونات نشطة أو مكونات للدارات التي تتحكم بشكل إلكتروني بتدفق الإلكترونات مثل أشباه الموصلات

كل هذه الأجهزة لم تكن لتعمل لولا وجود مكونات بسيطة وغير فعالة كانت قد سبقت أشباه الموصلات بعقود، على عكس المكونات الفعالة فإن المكونات غير الفعالة كالمقاومات والمكثفات غير قادرة على التحكم بتدفق الإلكترونات بواسطة إشارات إلكترونية.

المقاومة الكهربائية

مثلما يوحي اسمها؛ هي مكوّن إلكتروني يُعيق تدفُّق التيار الكهربائي في دارة ما.

في المعادن مثل الفضة والنحاس، والتي تتميَّز بناقليتها العالية للتيار الكهربائي ومقاومتها المنخفضة

فإن الإلكترونات تستطيع أن تقفز بحُريّة من ذرَّة إلى أخرى بمقاومة ضعيفة من قبل المعدن.

تُعرَّف المقاومة الكهربائية لمكوّن في دارة بأنها نسبة الجهد المُطبّق إلى التيار المتدفّق خلاله، وفقا لموقع HyperPhysics وهو موقع إلكتروني بمثابة مصدر فيزيائي مُستضاف من قبل قسم علوم الفيزياء والفضاء التابع لجامعة ولاية جورجيا؛ الوحدة القياسية للمقاومة هي الأوم والتي سُمّيت بذلك نسبةً لعالم الفيزياء الألماني جورج سيمون أوم.

يُعرّف الأوم بأنه مقاومة دارة يجتازها تيار كهربائي قدره أمبير واحد ويطبّق عليها جهد قدره فولط واحد، يُمكن حسَاب المقاومة بتطبيق قانون أوم حيث أن المقاومة تساوي الجهد مقسوم على شدة التيار أو نكتب رياضيًّا: R=V/I ( قد يكون الشكل الشائع للمعادلة هو: V=RI ) حيث تُعبّر R عن المقاومة الكهربائية وV عن الجهد الكهربائي وI عن التيار الكهربائي.

يتم تصنيف المقاومات الكهربائية بشكل عام إلى مقاومات ثابتة وأخرى متغيرة:

المقاومات الكهربائية ثابتة القيمة: هي مقاومات بسيطة غير فعّالة تملك قيمة واحدة تبقى ثابتة دومًا ضمن حدود التيار والجهد المحدد لها. تتوفر هذه المقاومات بقيم كثيرة تبدأ من 1 أوم وتصل إلى عدة ملايين.

المقاومات الكهربائية متغيرة القيمة: هي أجهزة كهروميكانيكية بسيطة مثل متحكّمات الصوت ومفاتيح التحكم بالضوء؛ والتي تغيّر الطول الفعّال أو درجة الحرارة الفعّالة للمقاومة عند إدارة مقبض أو تحريك عنصر تحكم.

الحث الكهربائي أو الوشيعة الكهربائية

الحث عبارة عن مكوّن إلكتروني يتألف من سلك ملفوف يجتازه تيار كهربائي مولّداً حقلاً مغناطيسياً؛ وحدة الحثّ أو التحريض هي الهنري ونسبةً للفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري الذي اكتشفه بشكل مستقل وإن كان بالوقت نفسه تقريباً مع عالم الفيزياء الأمريكي مايكل فاراداي

كل واحد هنري يساوي كميّة الحث المطلوبة لحثّ واحد فولط من القوة الدافعة الكهربائية ( أي الضغط الكهربائي المطبّق من مصدر طاقة) عند تغير التيار بمقدار واحد أمبير كل ثانية.

من أحد التطبيقات المهمة للملفات في الدارات الفعّالة أنّها تقوم بحجب الإشارات ذات الترددات العالية بينما تدَع  ذات الترددات المنخفضة تمر، ويمكنك أن تلاحظ أن هذه الوظيفة هي العكس تمامًا لوظيفة المكثفات.

إن عملية جمع هذين المكوّنين في دارة واحدة يمكن أن يؤدي وظيفة الاختيار الانتقائي لترددات معيّنة أو يولّد تذبذبات لأي تردّد مطلوب.

مع ظهور الدارات المتكاملة مثل الشرائح الإلكترونية اصبح استخدام المِلفّات أقل وذلك لصعوبة تصنيع الملفات ثلاثية الأبعاد في الدارات المطبوعة ذات البعدين

ولذلك يتم بناء الدارات الصّغريّة بالاعتماد على المكثّفات  لتحقيق نفس النتائج ، و بحسب ميشيل دوبسون؛ بروفيسور الفيزياء في جامعة (كولورادو بولدر- Colorado Boulder).

السعة الكهربائية

هي قدرة جهاز ما على تخزين الشحنة الكهربائية و يسمى المكوّن الإلكتروني الذي يخزّن الشحنة الكهربائية بالمكثّفة

المثال الأقدم عن المكثفات هو مكثفة Leyden jar وهو جهاز تم اختراعه لتخزين شحنة كهربائية ثابتة على رقاقة موصلة تبطّن داخل وخارج وعاء زجاجي.

تتكون أبسط المكثفات من سطحين أو صفيحتين منفصلتين بواسطة ممر ضيّق، الاختلاف في الجهد الكهربائي بين السطحين هو كمية متناسبة مع الفرق في الشحنة بين السطحين؛ يتم التعبير عنه بالقانون: Q=CV حيث  Q هي الشحنة وV  الجهد الكهربائي وC السعة.

سعة المكثفة هي كمية الشحنة القادرة على تخزينها خلال وحدة الجهد، تُقدّر السعة بوحدة الفاراد التي يرمز لها بالحرف F وسُميت بذلك نسبةً للعالم فاراداي.

تُعرّف بأنها السعة اللازمة لتخزين كولوم واحد من الشحنة عند تطبيق جهد بمقدار واحد فولط. كل واحد كولوم C يُعبّر عن كمية الشحنة التي يتم نقلها بوجود تيار قدره أمبير واحد خلال ثانية واحدة من الزمن.

لزيادة فعاليّة المكثفة يتم تكديس الصفائح في طبقات أو تُلف مع ترك منفذ صغير جدًا للهواء فيما بينها، المواد العازلة توقف بشكل جزئي الحقل الكهربائي بين الصفائح

تستخدم غالبًا في منفذ الهواء مما يساعد الصفائح على تخزين شحنة أكبر بدون انحناء أو قصور في الدارة.

غالباً ما تتواجد المكثَفات  في الدارات الكهربائية الفعّالة التي تعتمد على الإشارات الكهربائية المتذبذبة كالموجودة في أجهزة الراديو ومعدّات الصوت تستطيع أن تحتفظ بالشحنة وتقوم بتفريغها بشكل آني مما يسمح باستخدامها لإنتاج أو انتقاء الترددات في الدارات،

تستطيع الإشارة المتذبذبة شحن صفيحة واحدة من المكثفة بينما تُفرّغ الصفيحة الأخرى شحنتها وعندما يتم الاحتفاظ بالتيار فإنه يشحن الصفيحة الأخرى بينما تُفرّغ الأولى شحنتها وهكذا.

بشكل عام تستطيع الترددات العالية أن تجتاز المكثفة بينما يتم صد الترددات الأقل.

يتحدد حجم المكثفة بتردد القطع الذي يتم بحسبه تمرير الترددات أو صدّها؛ تُستخدم المكثفات بشكل عام لانتقاء ترددات محدّدة ضمن مجال محدّد.

يتم صناعة (المكثّفات الضخمة -SuperCapacitors) بالاعتماد على تقنية النانو لبناء طبقات صغيرة جدًا من المواد كمادة الغرافين لتحقيق سعات أكبر بعشر مرات إلى مئة مرة مقارنةً مع المكثفات المألوفة من الحجم نفسه لكنها تتمتّع باستجابة زمنية أبطأ من المكثّفات التقليدية لذا لا يمكن استخدامها في الدارات الفعّالة

ولكن من الممكن استخدامها كمصدر للطاقة في بعض التطبيقات كرقاقات الذاكرة في الحواسيب لمنع مسح البيانات في حال انقطاع التيار.

تعدّ المكثفات مكوّنات حيوية و أساسية في أجهزة التوقيت المختلفة كتلك الأجهزة المُطوّرة من قبل شركة SiTime وهي شركة مقرّها كاليفورنيا.

تُستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع ومتنوّع من التطبيقات، ابتداءًا بالهواتف المحمولة وصولًا إلى القطارات عالية السرعة والتجارة في أسواق البورصة.

تُعرف الأجهزة باسم MEMS أو الأنظمة الكهربائية الإلكترونية الصغيرة وتعتمد هذه الأجهزة الصغيرة على المكثّفات لتعمل بالشكل المناسب.

إذا لم يملك جهاز كاشف الذبذبات الهرتزية ( وهو المكوّن ذو الذبذبات في أجهزة التوقيت) المكثّفة المناسبة واسعة الحمل المناسبة لن تبدأ دارة التوقيت بشكل صحيح، وفي بعض الحالات تتوقف دارة التذبذب بشكل كامل، هذا ما قاله Piyush Sevalia نائب المدير التنفيذي للتسويق في شركة SiTime.

  • إعداد: المهندسة سارة بلقاسمي
  • تدقيق: المهندس خليل محمود
  • تحرير: المهندس بشار الحجي