الدرس التاسع: مبدأ اشتغال المكثف

مبدأ اشتغال المكثف

 

بسم الله الرحمان الرحيم

وصلى الله وسلم على محمد وعلى آله وصحبه ومن والاه.

الموضوع: مبدأ اشتغال المكثف

ب.ق سعيد بن حماض

وبعد،

     مرحبا بكم على مدونة زهرة في هذا الموضوع، الذي سنتطرق من خلاله إلى بعض خاصيات المكثفات التي أصبحت جد مستعملة في الكهرباء وفي الالكترونيك خصوصا في المذياع والتلفاز في الإرسال كما في الاستقبال.

     نسمي المكثف مجموعة مكونة من موصلين أو لبوسين يفصل بينهما عازل استقطابي، يسمى بالفرنسية Diélectrique.

     توجد أنواع مختلفة من المكثفات، يكمن وجه الاختلاف بينها في طبيعة العازل الاستقطابي بالخصوص. أما اللبوسات تبقى في اغلب الحيان مستوية.

     هناك مكثفات بالورق حيث يكون عازلها الاستقطابي مصنوعا من الورق المبلل بالزيت. ويكون نطاق قيمها الاعتيادية محصورة بين 1 microF و 0.47 microF

     وهناك أنواع أخرى من المكثفات تستعمل كثيرا مثل المكثفات بالميكا أو بالخزف أو بالزجاج أو حديثا بفيلم البلاستيك. وهناك أيضا المكثفات الكيميائية ، ومكثف المذياع أو مكثف بالهواء الذي يمتاز بسعة قابلة للتغير ببضع البيكوفاراد.

     وتنقسم المكثفات إلى أقسام نذكر منها:

أولا: مكثف غير مستقطب، له قطبين متماثلين لا يحتوي على قطب موجب أو سالب، مثله مثل المقاومة الكهربائية. يركب في الدارة دون مراعاة منحى التيار الكهربائي، سيشتغل في المنحنين معا.

ثانيا: مكثف مستقطب. يأتي دائما مصحوبا برمز أو رموز على ظهره لتمييز قطبه الموجب من السالب. تكون هاته الرموز عبارة عن حلقة أو علامة + أو - . هذا النوع من المكثفات جد حساس لمنحى التيار الكهربائي. حيث يجب التأكد من تركيبه الصحيح. وذلك بربط قطبه الموجب بالجزء الموجب من الدارة. في حالة عكسه، سوف يتعرض للإتلاف.

ثالثا: مكثف متغير، وهو مكثف يمكن تغيير سعته.

     ويرمز للمكثف في الدارة بالرموز التالية:

مبدأ اشتغال المكثف

     قلنا أن المكثف يضم لبوسين، كل لبوس عبارة عن لوحة موصلة باستطاعتها اكتساب أو فقدان الالكترونات.

     نصمم هاته الدارة وهي مكونة من مكثف C وقاطع للتيار K وعمود كهربائي G.

عندما يكون قاطع التيار K في النقطة 0 يكون اللبوسان متعادلين كهربائيا أي لا شحنة لهما.

  

     نجعل قاطع التيار في الموضع 1 الشيء الذي يربط المكثف بالمولد الكهربائي. وبفعل تنافر الشحنات السالبة، فإن القطب السالب للمولد سيدفع الالكترونات من N صوب اللبوس B . وبما أن العازل الاستقطابي المتواجد بين اللبوسين لا يسمح إطلاقا بمرور الالكترونات بداخله، فإنها سوف تتراكم في اللبوس B .

    

     في المقابل، القطب الموجب للعمود P سوف ينتزع نفس عدد الالكترونات من اللبوس A، التي خرجت من قطبه السالب N.

     فاللبوس B يكتسب الالكترونات وبالتالي سيشحن بكهرباء سالبة qb، أي شحنته تصبح سالبة على خلاف اللبوس A الذي يفقد الالكترونات فإنه سيشحن بكهرباء موجبة qa، أي شحنته تصبح موجبة.

     للمعلومة: نسمي هذا الانتقال للالكترونات تيار الشحن ic وهو يمر في الدارة لكن لن يمر من داخل المكثف. لان العازل الاستقطابي يمنعه.

     ويبقى الحال كذلك إلى أن يشحن اللبوسان بالكامل، فلا اللبوس B يستطيع استقبال مزيد من الالكترونات ولا اللبوس A يستطيع فقدانها. في هاته الحالة، سوف يتوقف المولد عن ضخ الالكترونات وبالتالي سينعدم التيار ic. نقول بأن المكثف مشحون.

      وبما أن اللبوسين للمكثف مشحونان بشحنتين إحداهما سالبة والأخرى موجبة بحيث qa=-qb ، فإنه سيتصرف كمولد للتوتر، توتره هو توتر العمود الكهربائي G.

      وهذا يفسر انعدام التيار الكهربائي عند اكتمال المكثف من الشحن، حيث أصبح التوتر بين مربطيه يساوي توتر العمود G.                   

     نأرجح قاطع التيار K في الموضع 2. في هذه الحالة تكون الدارة (ب) دارة قصيرة.

 فتنتقل الالكترونات تلقائيا من اللبوس B سالب الشحنة نحو اللبوس A موجب الشحنة. فيمر تيار id منحاه عكس منحى تيار الشحن ic. نقول بان المكثف ينفرغ. وينتهي التفريغ عندما يصير التوتر Uab منعدما أي عندما يصير اللبوسان A و  B محايدين كهربائيا أي لا شحنة لهما. عند إذن ينعدم التيار id.

      في هاته الدارة سرعة الشحن تكون سريعة جدا، إلا أن سرعة التفريغ تكون أسرع بكثير منها.

خلاصة

     يتبين من التجربتين السابقتين أن المكثف يمكن من تخزين كمية من الكهرباء لمدة طويلة. ثم إرجاعها عند الحاجة. ونسمي شحنة المكثف الكهربائية Q التي يتوفر عليها أحد اللبوسين حيث

 

     ويمكن حساب شحنة المكثف بالعلاقة التالية

حيث C هي سعة المكثف

و U التوتر بين مربطي المكثف

وفي النظام العالمي للوحدات يعبر:

عن الشحنة Q بالكلوم (C)

والتوتر U بالفولط (V)

والسعة C بالفاراد (Farad) الذي يرمز له بالحرف F.

     يعد الفاراد (F)، بالنسبة للمكثفات المستعملة عادة، وحدة كبيرة جدا لهذا نستعمل في الغالب الوحدات الجزئية كالميكروفاراد والننوفاراد و البيكوفاراد.

     وسعة المكثف تتعلق بمساحة اللبوسين وبالمسافة بينهما وكذلك بنوعية العازل الاستقطابي.

    ويمكن حساب الطاقة المخزونة في المكثف بالعلاقة التالية:

حيث E الطاقة بالجول (J)

و C السعة بالفاراد (F)

و U التوتر بين قطبي المكثف بالفولط (V)

مميزات المكثف

1- السعة: وهي قدرة المكثف على استيعاب الشحنة الكهربائية. كلما كانت قيمتها كبيرة كلما كان بمقدور المكثف تخزين كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية.

2- التوتر: ويسمى توتر الإتلاف إذ لا يجب تجاوزه وإلا تعرض المكتف للإتلاف. ويشار إليه غالبا على ظهر المكثفات. وفي بعض الحالات نجد ألوانا أو كودا على ظهرها، يجب حل رموزه لاستنباط التوتر والسعة ومميزات أخرى.

3- نسبة التفاوتTolérance : 

تعبر هاته النسبة عن القيم الحقيقية التي يمكن لسعة المكثف أن تأخدها.ويرمز لها بأحد العبر التالية:

كمثال: مكثف سعته C=1000 microF ولديه نسبة تفاوت 10% أو -+10% ، فإن سعة المكثف الحقيقية ستتراوح بين

 _إذن

 

مثال آخر: مكثف سعته C=220 microF ونسبة تفاوته هي -10%/+30% ، إذن سعته الحقيقية تكون محصورة بين

إذن

إذا كان مكثف لا يشير إلى نسبة التفاوت على ظهره فإن نسبتها هي -+20%

4- معامل الحرارة: يبين مقدار تغير سعة المكثف بفعل تغير درجة حرارته. عند ارتفاع درجة حرارة المكثف، فنوع منه تزداد سعته ونوع آخر تقل.

5- تيار التسرب Courant de fuite

مكثف مشحون ومعزول، سيحتفظ بالطاقة الكهربائية لمدة طويلة لكن في النهاية سينفرغ. ويرجع ذلك إلى العازل الاستطابي الذي يمرر تيارا كهربائيا صغيرا جدا من داخله يسمى تيار التسرب.

6- Equivalent series resistance (ESR)

وهي مقاومة داخلية للمكثف تكون صغيرة جدا يمكن إهمالها بالنسبة لأغلب المكثفات الغير كيميائية.

وتصل قيمتها إلى بضع الاوم بالنسبة للمكثف الكيميائي. حيث تزداد مع كثرة استعماله. وهذا من أحد عيوب هذا النوع، حيث إذا ارتفعت قيمة مقاومته إلى نسبة ما، سيؤثر ذلك سلبا على عمل الدارة ككل وحتى إن لم تتغير سعته.

تجميع المكثفات

      تتجلى فائدة تجميع المكثفات في الحصول على سعة غير متوفرة لذا المصمم من اجل تركيبها في دارة ما. فيلجأ إلى تجميع المكثفات إما على التوالي وإما على التوازي، للحصول على قيمة السعة المرغوب فيها، أو سعة تكون قريبة منها.

أولا:التركيب على التوازي.

سعة المكثف المكافئة لهذا التركيب هي مجموع جميع سعة المكثفات المركبة على التوازي.

وتتجلى فائدة هذا التركيب في تضخيم السعة، بحيث يمكن تطبيق توتر ضعيف، للحصول على شحنة وطاقة كهربائية كبيرة قد لا يوفرها كل مكثف على حدة.

ثانيا:التركيب على التوازي

مقلوب سعة المكثف المكافئة هي مجموع مقلوب جميع سيع المكثفات المركبة على التوالي.

يبدو من هذا التركيب انه يضعف السعة، غير انه يمكن من تطبيق توتر عال قد لا يتحمله كل مكثف إذا استعمل لوحده.

     للإفادة، قانون تجميع المكثفات هو عكس قانون تجميع المقاومات.

إلى هنا انتهى الموضوع.

شكر الله لكم على حسن المتابعة، والسلام عليكم ورحمة الله.