المكثفات الكهربائية :

المكثفات الكهربائية هي عناصر تخزين الطاقة الكهربائية في الدوائر الكهربائية. تتألف المكثفات من طرفين موصلين، تسمى الأقطاب، وبينهما طبقة عازلة.

عند تطبيق فرق الجهد على المكثف، يتم تراكم الشحنة الكهربائية على الأقطاب. وتزيد كمية الشحنة المخزنة على المكثف بشكل مباشر مع قيمة الجهد المطبق عليه. وتقاس الشحنة الكهربائية المخزنة في المكثف بوحدة الفاراد (Farad)، والتي تعبر عنها بالرمز F.

استخداماته :

يستخدم المكثف على سبيل المثال :

- تخزين الطاقة الكهربائية المؤقتة .

- ترشيح الإشارات الكهربائية .

- تحسين عامل القدرة في الدوائر الكهربائية .

- تشغيل المحركات الكهربائية .

- العديد من التطبيقات الإلكترونية الأخرى.

تتنوع أحجام وأشكال المكثفات الكهربائية، حيث يمكن أن تتراوح سعاتها من الفرادات الصغيرة جدًا (مثل البيكوفاراد أو الملي فاراد أو الفاراد). 

أنواع المكثفات :

كما يختلف نوع المادة المستخدمة في العازل باختلاف تطبيق المكثف ومتطلباته.

1- مكثفات العازل الهوائي (Air Capacitors): يستخدم فيها الهواء كمادة عازلة بين الأقطاب. تستخدم في التطبيقات ذات الجهود العالية وتتميز بتحملها للترددات العالية واستقرارها الحراري.

2- مكثفات السيراميك (Ceramic Capacitors): تستخدم السيراميك كمادة عازلة، وتتميز بحجم صغير وتكلفة منخفضة. تستخدم عادة في التطبيقات الإلكترونية الصغيرة.

3- مكثفات البوليستر (Polyester Capacitors): يتم استخدام فيلم البوليستر كعازل في هذه المكثفات. تستخدم عادة في التطبيقات ذات الترددات المنخفضة وتتميز بتحملها للجهود المنخفضة إلى المتوسطة.

4- مكثفات البولي بروبيلين (Polypropylene Capacitors): تستخدم فيلم البولي بروبيلين كعازل في هذه المكثفات. تتميز بتحملها للترددات العالية وتستخدم في التطبيقات التي تتطلب دقة عالية وثبات تردد.

5- مكثفات البوليسترين (Polystyrene Capacitors): تستخدم فيلم البوليستيرين كعازل في هذه المكثفات. تتميز بمرونتها العالية في الترددات العالية ودقتها العالية، وتستخدم عادة في التطبيقات الصوتية والفيديو.

6- مكثفات الإلكتروليت (Electrolytic Capacitors): تستخدم فيها الكاشطة الإلكتروليتية كعازل، وتتميز بسعات عالية وتحملها للجهود العالية. تستخدم عادة في التطبيقات التي تتطلب سعات كبيرة مثل مصادر الطاقة والمكبرات الصوتية.

هذه بعض الأنواع الشائعة، وهناك أيضًا العديد من الأنواع الأخرى مثل مكثفات الفيلم المعدني ومكثفات الفضة المحتواة ومكثفات الزجاج وغيرها. كل نوع من هذه المكثفات له خصائص واستخدامات محددة ويتم اختيار النوع المناسب وفقًا لمتطلبات التطبيق المحدد.

حساب سعة المكثف :

سعة المكثف يمكن حسابها باستخدام المعادلة التالية:
                                                                                  C = Q / V
حيث:
C   هو سعة المكثف بوحدة الفاراد (Farad).
Q  هو الشحنة الكهربائية المخزنة في المكثف بوحدة الكولومب (Coulomb).
V  هو الجهد المطبق على المكثف بوحدة الفولت (Volt).
لحساب سعة المكثف، يجب معرفة الشحنة الكهربائية المخزنة في المكثف والجهد المطبق عليه.
مثال:
لنفترض أن لدينا مكثف مشحون بشحنة 10 ميليكولومب ويوجد عليه جهد 100 فولت. نريد حساب سعة المكثف.
C = (10 ميليكولومب) / (100 فولت) = 0.1 ميكروفاراد
بالتالي، سعة المكثف في هذا المثال تكون 0.1 ميكروفاراد.
يرجى ملاحظة أنه قد تستخدم وحدات مختلفة مثل البيكوفاراد (pF) أو الملليفاراد (mF) بناءً على حجم المكثف. يجب أيضًا التأكد من استخدام نفس وحدات القياس في جميع المتغيرات في المعادلة للحصول على النتيجة الصحيحة.

حساب زمن شحن المكثف :

زمن شحن المكثف يمكن حسابه باستخدام قانون الشحن الكهربائي وقانون أوم. يُعبر قانون الشحن الكهربائي عن العلاقة بين التيار وسعة المكثف وسرعة شحنه، وقانون أوم يصف العلاقة بين الجهد والتيار في الدائرة الكهربائية.

الزمن اللازم لشحن المكثف يمكن حسابه باستخدام المعادلة التالية:

τ = R * C

حيث:

τ    هو الزمن المطلوب لشحن المكثف بالثواني.

R   هو قيمة المقاومة في الدائرة الكهربائية بالأوم.

C   هو سعة المكثف بالفاراد.                

لحساب الزمن، يجب معرفة قيمة المقاومة وسعة المكثف. يجب أن يكون الزمن معبرًا عن الزمن اللازم للشحن إلى نسبة معينة من الجهد النهائي، مثل 63٪ أو 95٪.

مثال:

لنفترض أن لدينا مكثف بسعة 100 ميكروفاراد ومقاومة في الدائرة الكهربائية تساوي 10 كيلوأوم. نريد حساب الزمن الذي يستغرقه المكثف للشحن إلى 95٪ من الجهد النهائي.

         =   (10,000 أوم) * (100 ميكروفاراد) = 1 ثانية

بالتالي، سيستغرق الزمن حوالي ثانية واحدة لشحن المكثف إلى 95٪ من الجهد النهائي .

في هذا المثال: يجب ملاحظة أن هذا الحساب يفترض أن الدائرة الكهربائية تكون مستقرة ولا يوجد تأثير من عوامل أخرى مثل المقاومة الداخلية للمصدر أو التأثيرات الحرارية.

المعادلة الاسية لرسم منحنى شحن او تفريغ المكثف :

لرسم منحنى شحن أو تفريغ المكثف، يُستخدَم معادلة الشحنة الكهربائية على مرور الزمن في المكثف. يمكن تعبيرها بالمعادلة التالية:

Q(t) = Q₀ * (1 - e^(-t/τ))

حيث:

Q(t)   هو الشحنة الكهربائية المخزنة في المكثف بعد مرور زمن t.

Q₀      هو الشحنة الكهربائية الأولية في المكثف (عند t = 0).

e         هو العدد الأساسي للنابلر الطبيعي (حوالي 2.71828).

t         هو الزمن الممر بالثواني.

τ         هو زمن الشحن أو التفريغ، ويُعتبر متوسط زمن الشحن أو التفريغ.

تستخدم هذه المعادلة لرسم منحنى الشحن أو التفريغ الزمني للمكثف، حيث تتغير الشحنة الكهربائية في المكثف على مرور الزمن وفقًا للعلاقة الأعلى. يمكن تحويل هذه المعادلة إلى نصف قيمة الشحنة أو الجهد لرسم الرسم البياني بناءً على الحالة التي ترغب في رسمها.

 اتمني ان يكون هذا المحتوى أدى الفكرة بشكل كافي ,  وإن كان من صواب فهو من الله الكريم الرحمن، وفقني الله (عز وجل) وإياكم لما يحبه ويرضاه، وأتمنى منكم التعليق والمشاركة في الموضوع.

                       ------------------------------------------------------------

 م . شـراحــي : لاتنسى الإشتراك في القناة ومتابعتنا على المدونة وذلك بالضغط على زر متابعة , وشكرا .