تمامًا مثل البطاريات التي تسمح بتخزين الطاقة المحمولة ، تسمح المكثفات بتخزين الطاقة مؤقتًا وهي مكونات أساسية للعديد من الدوائر.
إنها تسمح بفصل كميات كبيرة من الشحنات عن بعضها البعض وإطلاقها في انفجار مفاجئ للطاقة ، لاستخدامها في أجهزة مثل كاميرات الفلاش ، وكذلك التوسط في عمليات إلكترونية أخرى مثل التحويل بين مصادر طاقة التيار المتردد والتيار المستمر أو شحن الحقول المغناطيسية وتفريغها ، وهو أمر مفيد في ضبط الراديو المحطات.
تعريف السعة
السعة هي مقياس لقدرة مادة غير موصلة على تخزين الطاقة عن طريق إنشاء فصل شحنة عبر فرق الجهد (الجهد). يجب أن تكون المادة غير موصلة ، مثل الزجاج أو الأنابيب البلاستيكية ، وإلا فإن الشحنات ستتدفق عبرها ، غير قادرة على البقاء منفصلة.
رياضيا ، سعة الجسمجيساوي نسبة الشحنسللجهدالخامس.
C = \ frac {Q} {V}
وحدة السعة في النظام الدولي للوحدات هيفاراد(F)؛ من تهمةكولوم(ج) ؛ والجهد ،فولت(الخامس).تم تعريف الفاراد ، الذي سمي على اسم رائد الكهرومغناطيسية مايكل فاراداي ، بحيث يساوي 1 فاراد 1 عمودًا لكل فولت ، أو 1 F = 1 C / V.
يسمى أي جزء من الدائرة يفصل الشحنة بهذه الطريقة أمكثف. وبالتالي ، باتباع المعادلة أعلاه ، أي سعة معينة لمكثف
مكثفات الألواح المتوازية
أحد أنواع المكثفات الشائعة هو aمكثف لوحة متوازية. في مثل هذا الجهاز ، يتم تثبيت لوحين من مادة التوصيل (مثل المعدن) ، كما يوحي الاسم ، بالتوازي مع بعضهما البعض عبر بعض المسافة. بين اللوحات هو أمواد عازلة، ويسمى أيضًاالمواد العازلة.
هذا شيء لا يسمح بتدفق الشحنات من خلاله وبالتالي يمكن أن تصبح مستقطبة - الشحنات الموجودة داخلها إعادة التوجيه بحيث تكون جميع الإيجابيات معًا في جانب وكل السلبيات من ناحية أخرى - في وجود كهربائي مجال.
يمكن لأي شخص أن يصنع مكثفًا بسيطًا للوحة متوازية باستخدام لوحين من رقائق معدنية مثل الألواح وعدة أوراق كعازل محصور بينهما.
تعتمد سعة مكثف اللوح المتوازي على مساحة اللوح الواحد ، أوأ; الفصل بينهماد; وثابت العزلκمن المواد بينهما بهذه الطريقة:
C = \ dfrac {κε_0A} {د}
المصطلح ε0 ("epsilon-naught") هو الالسماحيةمن المساحة الحرة ، وهو ثابت يساوي 8.854 × 10-12 فاراد لكل متر (F / م). ثابت العزلκهي كمية بدون وحدة يمكن البحث عنها في جدول ، مثل تلك المرتبطة بهذه المقالة.
أنواع المكثفات الأخرى
لا تتطلب كل أنواع المكثفات ألواحًا متوازية. بعضها أسطواني ، مثل كابل متحد المحور ، أو كروي ، مثل غشاء الخلية (الذي ينتهي بحمل شحنة عن طريق ضخ أيونات بوتاسيوم موجبة من الخلية وأيونات كلوريد سالبة فيها).
يستخدم الكبل المحوري على نطاق واسع لتقديم بيانات الفيديو والصوت والاتصالات. يتكون تصميمها الأسطواني من عدة طبقات من المواد العازلة للكهرباء بين صفائح موصلة قوية ، غالبًا من النحاس ، وكلها ملفوفة مثل أسطوانة الهلام.
هذا يسمح للكابل بحمل حتى الإشارات الكهربائية الضعيفة دون تدهور لمسافات طويلة. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن الطبقات العازلة والموصلة ملفوفة ، فإن الكابل المحوري قادر على توفيرها تخزين الطاقة هذا في مساحة صغيرة نسبيًا - بالتأكيد بحجم أصغر من مكثفات الألواح المتوازية تستطيع.
دوائر RC
أحد التطبيقات الشائعة للمكثفات هو في دائرة RC ، سميت بهذا الاسم لأنها تحتوي على مقاوم ومكثف. افترض أن مكونين للدائرة متصلان على التوازي ، مع مفتاح يسمح للدائرة بالاتصال في واحدة من حلقتين فرديتين محتملتين: مصدر الجهد زائد مكثف ، أو مكثف زائد المقاوم.
عندما يتم توصيل المكثف بمصدر الجهد ، يتدفق التيار في الدائرة ويبدأ في تكوين شحنة مخزنة. عندما ينقلب المفتاح ويتم توصيل المكثف بالمقاوم ، يقوم بتفريغ وتسخين المقاوم.
الجهد أو فرق الجهد عبر المكثف أثناء الشحن هو:
V_ {مكثف} = V_ {مصدر} (1-e ^ {t / RC})
حيث كلاهماالخامسمكثفوالخامسمصدرهي الفولتية بالفولتات ورهو الوقت بالثواني. الوقت ثابتRCهي نتاج مقاومة الدائرة وسعتها ، مما يعني أنه كلما زاد حجم المقاوم أو المكثف ، زاد الوقت الذي يستغرقه الشحن أو التفريغ. وحدتها أيضًا بالثواني.
في العملية العكسية (عند التفريغ) المعادلة متشابهة:
V_ {مكثف} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
أينالخامس0هو الجهد الأولي المشحون للمكثف قبل أن يبدأ في التفريغ.
لأن الشحن يستغرق وقتًا للتراكم والإفراج ، وهذا الوقت يعتمد على خصائص عناصر الدائرة ، دائرة RC مفيدة في العديد من الأجهزة الكهربائية التي تتطلب الدقة توقيت. بعض الأمثلة الشائعة هي: كاميرات الفلاش وأجهزة تنظيم ضربات القلب ومرشحات الصوت.
مثال العمليات الحسابية
مثال 1: ما سعة مكثف لوحي متوازي مكون من اثنين 0.25 م2 صفائح ألمنيوم مفصولة 0.1 متر مع تفلون عند 20 درجة مئوية؟
بالنظر إلى مساحة اللوح الواحد والفصل والمادة العازلة ، ابدأ بالبحث عن ثابت العزل الكهربائي للتفلون. عند 20 درجة مئوية ، تبلغ 2.1 (تذكر ، لا تحتوي على وحدات!).
حل السعة:
مثال 2: كم من الوقت سيستغرق شحن 100-F (10-6 farads) مكثف إلى 20 فولت عند توصيله ببطارية 30 فولت وفي دائرة بمقاومة 10 كيلو أوم (1000 أوم)؟
ابدأ بتحويل السعة والمقاومة إلى وحدات SI الخاصة بهم ، ثم حساب ثابت وقت RC:
C = 100 µF = 0.0001 فهرنهايت
R = 10 kΩ = 10000 Ω
RC = 0.0001 فهرنهايت × 10000 Ω = ثانية واحدة
ثم ، باستخدام صيغة مكثف الشحن وحل الوقتر:
V_ {capacitor} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ سطر جديد 1/3 = e ^ t \ newline ln (1/3) = ln (e ^ t) \ newline 1.1 seconds = t
المكثفات مقابل. بطاريات
قد تبدو المكثفات والبطاريات متشابهة حيث أنهما قادران على تخزين وتفريغ الشحنات الإلكترونية. لكن لديهم العديد من الاختلافات الرئيسية التي تقودهم إلى مزايا وعيوب مختلفة.
أولاً ، يخزن المكثف الطاقة في مجال كهربائي مشحون بينما تخزن البطارية الطاقة في المواد الكيميائية ، وتطلقها عبر تفاعل كيميائي. بسبب هذه الاختلافات في المواد ، يمكن للبطارية تخزين طاقة أكثر من مكثف من نفس الحجم.
ومع ذلك ، فإن التفاعل الكيميائي اللازم لإطلاق هذه الطاقة يكون عادةً أبطأ من إطلاق الشحنات عبر المجال الكهربائي في مكثف. لذلك ، يمكن للمكثف الشحن والتفريغ بسرعة أكبر بكثير من البطارية ، مما يوفر المزيد من الطاقة الكهربائية في فورة قصيرة. عادةً ما يكون المكثف أكثر متانة من البطارية ، مما يجعله أكثر صداقة للبيئة.
لكل هذه الأسباب ، يسعى المهندسون اليوم إلى زيادة حدود التخزين للمكثفات وتقليل أوقات شحن وتفريغ البطاريات. حتى ذلك الحين ، غالبًا ما يتم استخدام الأجهزة معًا. على سبيل المثال ، يستخدم فلاش الكاميرا وجهاز تنظيم ضربات القلب بطارية ومكثفًا لتوفير طاقة طويلة الأمدوقم بتسليمها في رشقات نارية سريعة بجهد أعلى.
التطبيقات
غالبًا ما تستخدم المكثفات في الدوائر لتنعيم أو التوسط في تغييرات الجهد التي قد يتعرض لها الجهاز. على سبيل المثال ، تأتي معظم الطاقة التي يتم توصيلها إلى المنزل في مصدر تيار متناوب (AC) ، والذي يوفر جهدًا "وعرًا" ، ومع ذلك فإن معظم الأجهزة المنزلية تتطلب مصدر تيار مباشر (DC) للطاقة.
تساعد المكثفات الموجودة في الحائط على تحويل الإشارة من التيار المتردد إلى التيار المستمر لهذه الأجهزة. يشحن الجهد الوارد المكثف ، وعندما يبدأ بالتناوب مع جهد أقل ، يبدأ المكثف في تفريغ بعض طاقته المخزنة. يسمح ذلك للجهاز الموجود على الجانب الآخر بمواصلة تجربة جهد أكثر ثباتًا مما هو عليه بدون المكثف.
تعتبر المكثفات مفيدة أيضًا في الأجهزة التي قد تحتاج فيها ترددات معينة للإشارات الإلكترونية إلى التصفية ، على سبيل المثال ، مضخم راديو أو خلاط صوتي. على سبيل المثال ، يمكن للمكثف في الدائرة توجيه الأصوات منخفضة التردد وعالية التردد إلى أجزاء مختلفة من مكبر الصوت ، مثل مكبر الصوت الفرعي أو مكبر الصوت. أو ، يمكن لمكبرات الصوت الراديوية التي تستخدم المكثفات لفصل الترددات تضخيم بعضها دون البعض الآخر ، وبالتالي تعزيز إشارة المحطة المرغوبة التي يتم ضبط الراديو عليها.
الفصل في دائرة متكاملة.أحد الاستخدامات الأكثر انتشارًا للمكثف هو الدائرة المتكاملة - الدائرة الصغيرة لوحة تحتوي على جميع المكونات الكهربائية المستخدمة لتشغيل معظم الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية ، مثل الهواتف الذكية. هناك ، يعمل المكثف كدرع يحمي المكونات الإلكترونية الأخرى من المفاجئ ينخفض الجهد الكهربائي ويعمل كمصادر طاقة صغيرة مؤقتة عند انقطاع التيار الكهربائي مؤقتًا ، كما في كثير من الأحيان يحدث.
على غرار الطريقة التي تساعد بها في توفير تيار مباشر للأجهزة المنزلية ، فإن المكثفات تغيرات الجهد الكهربائي للإلكترونيات التي تتجاوزها في الدائرة إنهم "يمتصون" الجهد الإضافي ويطلقون بدورهم جهدهم الزائد عندما يبدأ الإمداد في الانخفاض.
تزيل مكثفات الفصل في الدوائر المتكاملة على وجه التحديد التغييرات عالية التردد في الجهد (حيث يمكنها امتصاص بعض تغيرات الجهد التي تمر عبرها). وينتج عن ذلك أن بقية مكونات الدائرة تعاني من مستوى جهد أكبر عند المستويات المطلوبة لتشغيلها بشكل صحيح.
المكثفات كأجهزة استشعار.نظرًا لأن تصميم المكثف يعتمد على المواد المستخدمة ، والتي بدورها لها خصائص موصلة مختلفة في ظل ظروف مختلفة ، فإن المكثفات هي مكونات مهمة في المستشعرات الإلكترونية.
على سبيل المثال ، يستخدم مستشعر الرطوبة مادة عازلة للكهرباء مثل البلاستيك أو البوليمر الذي يغير توصيله بشكل موثوق مع تغير مستويات الرطوبة. وهكذا ، من خلال قراءة الموصلية عبر ذلك العازل ، يستنتج المستشعر الرطوبة النسبية.
وبالمثل ، فإن بعض أجهزة استشعار مستوى الوقود ، بما في ذلك تلك الموجودة في الطائرات ، تستخدم المكثفات لقياس كمية الوقود المتبقية في الخزان. في هذه الأجهزة ، يعمل الوقود نفسه كعزل كهربائي. بمجرد أن ينخفض إلى مستوى منخفض بدرجة كافية ، تتغير الموصلية ويتم تنبيه الطيار.
ربما تكون المفاتيح السعوية المستخدمة في الأجهزة ذات شاشات اللمس أكثر شيوعًا. عندما يلمس إصبع الشخص الشاشة ، فإنه يقوم بإفراغ كمية صغيرة من الشحن ، وبالتالي تغيير توصيل الجهاز بشكل يمكن قياسه وتحديده في مكان معين. وهذا ما يفسر أيضًا سبب تعارض ارتداء القفازات مع التمرير على الهاتف الذكي - فالصوف أو القطن الموجود في القفاز عازل رائع ، مما يمنع الشحنات الموجودة في الأصابع من القفز إلى الشاشة.