المكثفات هي مكونات أساسية في مجال الإلكترونيات وتلعب دورًا مهمًا في الدوائر الإلكترونية المختلفة. يعد فهم مفاهيم السعة والشحنة أمرًا ضروريًا لأي شخص يسعى للخوض في عالم الهندسة الكهربائية. في هذه المقالة ، سيكون لدينا مقدمة موجزة عن المكثفات ، وشرح السعة ، ونتعمق في المعادلة التي تحكم سلوكهم.
ما هو مكثف
المكثف هو مكون إلكتروني منفعل ذو طرفين يخزن الطاقة الكهربائية في مجال كهربائي. يتكون هيكل المكثف من لوحين موصلين ، يتكونان عادةً من معدن ، يتم وضعهما منفصلين مع مادة عازلة بينهما. عندما يتم تطبيق فرق الجهد عبر أطراف مكثف ، فإنه يتراكم شحنة على لوحاته ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا بينهما.
ما هي السعة
السعة هي مقياس لمقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن تخزينها لكل وحدة جهد عبر جهاز أو مكون. وحدة السعة هي فاراد.
ما هو المسؤول
توصف الشحنة بوجود طاقة كهربائية. رمزها Q ووحدتها كولوم.
عمل المكثفات
عندما يتم إدخال جهد كهربائي عبر أطراف مكثف ، فإن المجال الكهربائي الذي تم إنشاؤه بين الصفائح يبدأ في حركة الإلكترونات. تصبح اللوحة السالبة للمكثف نقطة تجميع للإلكترونات التي انتقلت من الطرف السالب لمصدر الجهد.
في نفس الوقت ، يترك عدد متساوٍ من الإلكترونات اللوحة الموجبة للمكثف ويعود إلى الطرف الموجب لمصدر الجهد.
يستمر تراكم وإعادة توزيع الشحنة هذا حتى يتم شحن المكثف بالكامل ، وعند هذه النقطة يتوقف تدفق الإلكترونات ، ويمكن تحديد الشحنة المخزنة في مكثف باستخدام المعادلة:
في المعادلة المعطاة ، 'Q' يرمز إلى تكلفة المتراكمة داخل مكثف ، 'C' يدل على السعة ، و 'V' يمثل الجهد المطبق عبر المكثف.
تعرض هذه المعادلة علاقة تناسبية بين السعة والجهد المطبق ، مما يدل على أن كمية الشحنة الموجودة في المكثف ترتبط ارتباطًا مباشرًا بهذين المتغيرين. ومن ثم ، فإن زيادة السعة أو الجهد سيؤدي إلى زيادة تراكم الشحنة.
سعة مكثف لوحة متوازية
يتم تحديد سعة المكثف من خلال مساحة سطح الألواح (أ) ومسافة الفصل (د) بينهما ، حيث يؤثر كلا العاملين على السعة الإجمالية. كلما زادت مساحة اللوحة ، زادت السعة ، بينما تؤدي المسافة الأصغر بين الألواح إلى زيادة السعة. هذه العلاقة موصوفة بالمعادلة:
تمتلك المكثفات القدرة على تخزين الطاقة الكهربائية ، حيث تتناسب كمية الطاقة المخزنة (U) بشكل مباشر مع كل من مربع الجهد المطبق (V) والسعة (C) للمكثف. تُعطى معادلة الطاقة المخزنة في مكثف من خلال:
تعد معرفة الطاقة المخزنة في المكثف أمرًا حيويًا لتصميم الدوائر ، خاصة في التطبيقات التي يكون فيها إطلاق الطاقة أو متطلبات الطاقة الفورية أمرًا مهمًا.
سعة مكثف كروي
لحساب سعة مكثف كروي ، تحتاج إلى معرفة نصف قطر كل من المجالات الموصلة الداخلية والخارجية. يتحكم شكل المكثف وسماحية المادة الموضوعة بين الكرات في السعة. صيغة حساب سعة مكثف كروي هي:
من ناحية أخرى ، يتم استخدام الرمز 'εᵣ' لتمثيل السماحية النسبية أو ثابت العزل الكهربائي للمادة الواقعة بين المجالات. بالإضافة إلى ذلك ، تشير 'r₁' إلى نصف قطر الكرة الداخلية ، بينما تشير 'r₂' إلى نصف قطر الكرة الخارجية.
بالتعويض عن قيم نصف القطر والسماحية للمادة ، يمكنك حساب سعة المكثف الكروي. من الجدير بالذكر أنه إذا كان للكرة الداخلية نصف قطر ضئيل أو تم اعتباره شحنة نقطية ، فإن صيغة السعة تبسط إلى:
في هذه الحالة ، يتم تحديد السعة فقط من خلال نصف قطر الكرة الخارجية وسماحية المادة.
سعة مكثف أسطواني
لحساب سعة مكثف أسطواني ، تحتاج إلى معرفة طول المكثف (L) ، ونصف قطر الموصل الداخلي (r₁) ، ونصف قطر الموصل الخارجي (r₂). يتحكم شكل المكثف وسماحية المادة الموضوعة بين الكرات في السعة. صيغة حساب سعة مكثف أسطواني هي:
من ناحية أخرى ، يتم استخدام الرمز 'εᵣ' لتمثيل السماحية النسبية أو ثابت العزل الكهربائي للمادة الواقعة بين المجالات. بالإضافة إلى ذلك ، تشير 'r₁' إلى نصف قطر الكرة الداخلية ، بينما تشير 'r₂' إلى نصف قطر الكرة الخارجية.
خاتمة
تعتبر المكثفات مكونات مهمة عندما يتعلق الأمر بالإلكترونيات ، مما يتيح تخزين الطاقة وتنظيم الجهد. السعة ، مقاسة بالفاراد (F) ، تحدد قدرة المكثف على تخزين الشحنة. إنه يتناسب طرديًا مع الشحنة المخزنة (Q) ويتناسب عكسًا مع الجهد (V) عبر أطراف المكثف.