المكثفات Capacitors

المكثفات

المكثف عنصر سلبي بطرفين ويتكون من لوحين معدنيين رقيقين يفصل بينهما طبقة بسماكة محددة من مادة عازلة للكهرباء كالورق والزجاج والخزف والبلاستيك والميكا . وغالبا ما تتحدد خصائص المكثف المختلفة من نوع العازل المستخدم فالعوازل تتفاوت تفاوتا كبيرا في خصائصها الكهربائية من حيث قيم سماحيتها وجهودها الإنهيارية وتأثر سماحيتها بدرجة الحرارة والتردد. ويوجد نوعان من المكثفات وهي المكثفات اللامستقطبة (non-polarized) والتي لا تتأثر بقطبية الجهد المسلط عليها ولذا فإنه يمكن استخدامها في دوائر التيار الثابت والمتناوب والمكثفات المستقطبة (polarized) والتي تتأثر بقطبية الجهد المسلط عليها ولذا لا تستخدم إلا في دوائر التيار الثابت بحيث يكون قطبها الموجب موصولا بالطرف الموجب لمصدر الجهد. إن المكثف لا يمرر التيار الكهربائي المباشر من خلاله بسبب المادة العازلة وعلى هذا فإنه يعتبر دائرة مفتوحة (open circuit) للتيارات الثابتة ولكن عند تسليط جهد ثابت عليه فإن شحنات كهربائية موجبة وسالبة تتجمع على اللوحين منتجة مجالا كهربائيا ثابتا بينهما مما يجعله أداة لتخزين الشحنات الكهربائية. وتتناسب كمية الشحنة المخزنة على المكثف طرديا مع قيمة الجهد (Q = CV) ويسمى ثابت التناسب C بمواسعة (capacitance) المكثف والتي تقاس بالفراد (Farad) نسبة للعالم الشهير فارادي. وتتناسب قيمة المواسعة طرديا مع السماحية الكهربائية (permittivity) للمادة العازلة وكذلك مساحة اللوح الواحد وعكسيا مع سماكة الطبقة العازلة. وعلى العكس من المقاوم فإن المكثف المثالي لا يبدد الطاقة الكهربائية التي تمدها به مصادر الطاقة المختلفة بل يحتفظ بها إذا كان معزولا أو يفرغها في عناصر إلكترونية أخرى. وتتوفر المكثفات بقيم تتراوح بين البيكوفاراد (جزء من ألف بليون جزء من الفاراد) وعدة آلاف من الميكروفاراد (جزء من مليون جزء من الفاراد) بقيم معيارية متفق عليها بين الشركات الصانعة.ويمكن معرفة قيمة المكثف من خلال عدة أرقام عشرية مكتوبة عليها فالأرقام باستثناء الرقم الأخير تحدد الأرقام الأولى من قيمة المكثف أما الرقم الأخير فيحدد عدد الأصفار التي تضاف لقيمة المكثف وتكون القيمة بالبيكوفاراد أما نسبة الخطأ في قيمة المكثف الاسمية (tolerance) فتحدد من خلال الأحرف. وإذا ما تم فصل مصدر الجهد عن المكثف بعد شحنه فإنه يحتفظ بنفس قيمة الجهد على طرفيه وتساوي كمية الطاقة المخزنة في المجال الكهربائي نصف حاصل ضرب المواسعة في مربع الجهد (E = 0.5 C V²). ومن خصائص المكثف أنه يقاوم أي تغير للجهد المسلط على طرفيه فعند تسليط جهد متغير عليه فإن تيارا سيسري خلال المكثف تتناسب قيمته طرديا مع معدل تغير الجهد مع الزمن ويساوي ثابت التناسب قيمة مواسعة المكثف. وفي حالة تسليط جهد متناوب له شكل جيبي وتردد ثابت فإنه من السهل إثبات أن علاقة التيار بالجهد علاقة خطية يحكمها قانون أوم ( V = X_c I) ويسمى ثابت التناسب بالممانعة المواسعية ( capacitive reactance X_c) والتي تتناسب قيمتها عكسيا مع حاصل ضرب المواسعة C بالتردد f (X_c = 1/(2 p f C)). هذا بالإضافة إلى أن الجهد والتيار في المكثف ليس لهما نفس الطور (phase) بل يتقدم التيار بمقدار ربع دورة (تسعين درجة) عن الجهد. وإذا ما وصلت المكثفات على التوازي فإن قيمة المواسعة المكافئة لها تساوي مجموع قيم المواسعات المنفردة أما إذا وصلت على التوالي فإن معكوس قيمة المواسعة المكافئة تساوي مجموع معكوسات كل قيمة من قيم المواسعات المنفردة وذلك على العكس من قانون المقاومات. ويستخدم المكثف في الدوائر الإلكترونية للقيام بمهام عدة منها عزل الجهود والتيارات الثابتة التي تحدد نقاط التشغيل للترانزستورات عن الدوائر التي تغذي الجهود والتيارات المتناوبة إليها. وتستخدم بوجود المقاومات والمحثات كمرشحات لترددات الإشارات (filters) بالاعتماد على خاصيتها الرئيسية وهي أن ممانعتها تنقص مع زيادة التردد. وتستخدم كذلك لمنع التيارات الثابتة من المرور مع التيارات المتغيرة وللتخلص من التيارات المتغيرة المصاحبة للتيارات الثابتة في المقومات (rectifiers). وتستخدم لتخزين الطاقة الكهربائية والإشارات الكهربائية لفترات قصيرة في تطبيقات كثيرة كما في فلاشات الكميرات وبعض أنواع الليزر وفي معالجة الإشارات.