المكثف الكهربائي هو جهاز سلبي قادر على تجميع وتخزين الطاقة الكهربائية. يتكون من لوحين موصلين مفصولين بمادة عازلة. يؤدي تطبيق الإمكانات الكهربائية لعلامات مختلفة على الصفائح الموصلة إلى اكتساب شحنة بواسطتها ، تكون موجبة على إحدى اللوحين وسالبة على الأخرى. في هذه الحالة ، إجمالي الشحنة هو صفر.
تناقش هذه المقالة قضايا التاريخ وتعريف سعة المكثف.
قصة اختراع
في أكتوبر 1745 ، لاحظ العالم الألماني Ewald Georg von Kleist أنه يمكن تخزين شحنة كهربائية إذا تم توصيل مولد كهرباء وكمية معينة من الماء في وعاء زجاجي بكابل. في هذه التجربة ، كانت يد فون كليست وماءها موصلين ، وكان الوعاء الزجاجي عازلًا كهربائيًا. بعد أن لمس العالم السلك المعدني بيده ، حدث تفريغ قوي ، وكانأقوى بكثير من تفريغ المولد الكهروستاتيكي. نتيجة لذلك ، خلص فون كلايست إلى وجود طاقة كهربائية مخزنة.
في عام 1746 ، اخترع الفيزيائي الهولندي بيتر فان موشنبروك مكثفًا أطلق عليه زجاجة ليدن تكريما لجامعة ليدن حيث عمل العالم. ثم قام دانييل جرالات بزيادة سعة المكثف عن طريق توصيل عدة زجاجات ليدن.
في عام 1749 ، قام بنجامين فرانكلين بالتحقيق في مكثف Leyden وتوصل إلى استنتاج مفاده أن الشحنة الكهربائية لا يتم تخزينها في الماء ، كما كان يعتقد من قبل ، ولكن عند حدود الماء والزجاج. بفضل اكتشاف فرانكلين ، تم تصنيع زجاجات Leyden من خلال تغطية داخل وخارج الأوعية الزجاجية بألواح معدنية.
تطوير الصناعة
مصطلح "مكثف" ابتكره أليساندرو فولتا في عام 1782. في البداية ، تم استخدام مواد مثل الزجاج والخزف والميكا والورق العادي لصنع عوازل مكثفات كهربائية. لذلك ، استخدم مهندس الراديو Guglielmo Marconi المكثفات الخزفية لأجهزة الإرسال الخاصة به ، ولأجهزة الاستقبال - المكثفات الصغيرة مع عازل الميكا ، والتي تم اختراعها في عام 1909 - قبل الحرب العالمية الثانية ، كانت الأكثر شيوعًا في الولايات المتحدة الأمريكية.
تم اختراع أول مكثف إلكتروليت في عام 1896 وكان عبارة عن إلكتروليت بأقطاب من الألومنيوم. لم يبدأ التطور السريع للإلكترونيات إلا بعد اختراع مكثف التنتالوم المصغر المزود في عام 1950المنحل بالكهرباء صلب
خلال الحرب العالمية الثانية ، نتيجة لتطور كيمياء البلاستيك ، بدأت المكثفات في الظهور ، حيث تم تخصيص دور العازل لأغشية البوليمر الرقيقة.
أخيرًا ، في الخمسينيات والستينيات ، تطورت صناعة المكثفات الفائقة ، والتي تحتوي على العديد من الأسطح الموصلة العاملة ، بسبب زيادة السعة الكهربائية للمكثفات بمقدار 3 أوامر من حيث الحجم مقارنة بقيمتها للمكثفات التقليدية.
مفهوم سعة المكثف
الشحنة الكهربائية المخزنة في لوحة المكثف متناسبة مع فولطية المجال الكهربائي الموجود بين ألواح الجهاز. في هذه الحالة ، يسمى معامل التناسب السعة الكهربائية لمكثف مسطح. في SI (النظام الدولي للوحدات) ، تُقاس السعة الكهربائية ، ككمية مادية ، بالفاراد. فاراد واحد هو السعة الكهربائية لمكثف ، والجهد بين لوحات منها هو 1 فولت مع تخزين شحنة 1 كولوم.
السعة الكهربائية لـ 1 فاراد ضخمة ، وعمليًا في الهندسة الكهربائية والإلكترونيات ، تُستخدم المكثفات ذات السعات بترتيب بيكوفاراد ونانوفاراد وميكروفاراد بشكل شائع. الاستثناءات الوحيدة هي المكثفات الفائقة ، والتي تتكون من الكربون المنشط ، مما يزيد من مساحة عمل الجهاز. يمكن أن تصل إلى آلاف الفاراد وتستخدم لتشغيل نماذج أولية للسيارات الكهربائية.
وبالتالي ، فإن سعة المكثف هي: C=Q1/ (V1-V2). هنا ج-السعة الكهربائية ، Q1- شحنة كهربائية مخزنة في لوحة واحدة من المكثف ، V1-V2- الفرق بين الجهد الكهربائي للوحات
صيغة السعة للمكثف المسطح هي: C=e0eS / d. هنا e0و e هو ثابت العزل العالمي وثابت العزل الكهربائي لمادة العازل S هو مساحة الألواح ، d هي المسافة بين الألواح. تسمح لك هذه الصيغة بفهم كيف ستتغير سعة المكثف إذا قمت بتغيير مادة العازل أو المسافة بين الألواح أو مساحتها.
أنواع العوازل المستخدمة
لتصنيع المكثفات ، يتم استخدام أنواع مختلفة من العوازل. الأكثر شيوعًا هي ما يلي:
- الهواء. هذه المكثفات عبارة عن لوحين من مادة موصلة ، تفصل بينهما طبقة من الهواء وتوضع في علبة زجاجية. السعة الكهربائية لمكثفات الهواء صغيرة. تستخدم عادة في هندسة الراديو.
- ميكا. خصائص الميكا (القدرة على الانفصال إلى صفائح رقيقة وتحمل درجات الحرارة العالية) مناسبة لاستخدامها كعوازل في المكثفات.
- ورق. الورق المشمع أو المطلي يستخدم للحماية من التبلل.
الطاقة المخزنة
مع زيادة فرق الجهد بين ألواح المكثف ، يخزن الجهاز الطاقة الكهربائية بسببوجود مجال كهربائي بداخله. إذا انخفض فرق الجهد بين الألواح ، يتم تفريغ المكثف ، مما يعطي الطاقة للدائرة الكهربائية.
رياضياً ، يمكن التعبير عن الطاقة الكهربائية المخزنة في نوع تعسفي من المكثف بالصيغة التالية: E=½C (V2-V1)2، حيث V2و V1هي القيمة النهائية والأولية إجهاد بين الألواح
الشحن والتفريغ
إذا تم توصيل مكثف بدائرة كهربائية بمقاوم وبعض مصادر التيار الكهربائي ، فإن التيار سوف يتدفق عبر الدائرة ويبدأ المكثف بالشحن. بمجرد أن يتم شحنه بالكامل ، سيتوقف التيار الكهربائي في الدائرة.
إذا تم توصيل مكثف مشحون بالتوازي مع المقاوم ، فسوف يتدفق التيار من لوحة إلى أخرى عبر المقاوم ، والذي سيستمر حتى يتم تفريغ الجهاز تمامًا. في هذه الحالة ، يكون اتجاه تيار التفريغ عكس اتجاه تدفق التيار الكهربائي عندما كان الجهاز مشحونًا.
شحن وتفريغ المكثف يتبع اعتمادًا زمنيًا أسيًا. على سبيل المثال ، يتغير الجهد بين ألواح المكثف أثناء تفريغه وفقًا للصيغة التالية: V (t)=Vie-t / (RC)، حيث Vi- الجهد الأولي على المكثف ، R - المقاومة الكهربائية في الدائرة ، t - وقت التفريغ.
دمج في دائرة كهربائية
لتحديد سعة المكثفات المتوفرة فيالدائرة الكهربائية ، يجب أن نتذكر أنه يمكن دمجها بطريقتين مختلفتين:
- اتصال تسلسلي: 1 / Cs=1 / C1+ 1 / C2+ … + 1 / C.
- اتصال متوازي: Cs=C1+ C2+… + C.
Cs- السعة الكلية للمكثفات n. يتم تحديد السعة الكهربائية الإجمالية للمكثفات بواسطة صيغ مشابهة للتعبيرات الرياضية للمقاومة الكهربائية الكلية ، فقط صيغة التوصيل المتسلسل للأجهزة صالحة للتوصيل المتوازي للمقاومات والعكس صحيح.
