المكثفات |

يتم شرح تعريف و تركيب المكثفات و مهمتها داخل الدوائر و هو تخزين الطاقة الكهربية. يتم شرح قوانين المكثف و شرح توصيل المكثف بمصدر مستمر للتيار. و ماذا لو تم توصيل أكثر من مكثف.

تعريف المكثفات

المكثفات هي مكون من المكونات البسيطة الدوائر الكهربائية و خصوصا دوائر التيار المتردد. و وظيفتها تخزين الشحنة والطاقة الكهربية. يتكون المكثف من زوج من الألواح الموصلة المعزولة عن بعضها البعض وتحمل نفس مقدار الشحنة Q و لكن أحد الألواح تكون شحنته موجبة والآخر تكون شحنته سالبة . لذلك تكون المكثفات متعادلة. و عندما نقول أن شحنة المكثف هي Q فإننا نعني الشحنة على أحد الألواح موصل واحد يحمل +Q والآخر -Q. ولكن ما هي العوامل التي يتوقف عليها مقدار الشحنة التي يحملها أحد لوحي المكثف أو بعبارة أخرى سعة المكثف.

المكثف الكهربائي و ظيفة و سعة — المكثف الكهربائي

شحن المكثف

تسمى قدرة المكثف على تخزين الشحنة بالسعة. يتم إعطاء السعة الرمز C ، ووحدتها الفاراد (F). تعتمد سعة المكثف على مساحة الألواح المعدنية والمسافة بين الألواح والخصائص الكهربائية للمادة التي تفصل الألواح. بينما تعتمد كمية الشحنة Q التي يمكن تخزينها على مكثف على السعة C وفرق الجهد V عبر المكثف. و يمكن الربط بينهما فالسعة هي نسبة كمية الشحنة على أحد لوحي إلى مقدار فرق الجهد المؤثر عليه. السعة C ثابت يعتمد فقط على أبعاد المكثف و مادته العازلة طبقا للعلاقة

$C = \frac{Q}{V}$

إذا زادت الشحنة المخزنة فإن ذلك يكون بسبب زيادة في فرق الجهد بنفس المقدار لأن سعة المكثف لا تتوقف على الشحنة المخزنة فيه و كذلك لا تعتمد على فرق الجهد. يتم تخزين الطاقة الكهربائية في المكثف في صورة شحنات كهربائية على لوحي حيث يكون أحد الألواح مشحون بشحنة موجبة بينما يكون اللوح الأخر مشحون بشحنة سالبة وتبقى الشحنه الموجبه والسالبه على اللوحين بسبب قوى التجاذب الكهربي بينهما (الألكتروستاتيكي).

قانون المكثف

عند رسم العلاقة بين كمية الكهربية على أحد الألواح وفرق الجهد المستمر المطبق على لوحي المكثف تكون هذه العلاقة

علاقة طردية و في صورة خط مستقيم. وتشير أنه كلما زاد فرق الجهد المطبق على المكثف كلما زادت كمية الكهربية على أحد لوحية.
ثانيا ميل هذه العلاقة هو سعة المكثف وهو مقدار ثابت تبعا للعلاقة $C = \frac{Q}{V}$ .
ثالثا نجد أن المساحة تحت المنحنى تعبر عن حاصل ضرب كمية الكهربية المخزنة في فرق الجهد والتي تشير الى الطاقة الكهربائية المخزونة في المكثف والتي تساوي $E = \frac{1}{2}CV^2$

عند شحن المكثف بمصدر التيار المستمر فإن شحنة المكثف تزداد باستمرار من الصفر إلى أقصى قيمتها q_max بينما ينخفض التيار من الحد الأقصى I_max حتى الصفر.

توصيل المكثفات على التوالي و التوازي

توصيل المكثفات على التوازي

من أهم الأسئلة عند توصيل المكثفات على التوازي هو ما السعة المكافئة لهذه المجموعة المتوازية؟ نعني بـ السعة المكافئة لها السعة التخزينية الكلية للمكثفات مجتمعة. نجد أن الخواص العامة التوصيل على التوازي هي معروفة أي أن فرق الجهد يكون ثابت بينما يتم تقسيم التيار. وذلك يعني ان فرق الجهد علي كل المكثفات هو ثابت ويساوي فرق جهد البطارية. باستخدام قانون المكثف للحصول على شحنة على أحد لوحي المكثف الأول والثاني فنجد أن

$Q_1 = C_1 V ~~~~ Q_2 = C_2 V$

ومن ثم نجد أن هناك علاقة تربط بين السعة الكلية وسعة المكثفين وهي

$C_T =C_1 +C_2$

لاحظ أن السعة المكافئة أكبر من السعة الفردية. ، يمكنك التفكير في المجموعة المتوازية كمكثف واحد مع مساحة لوحة أكبر و الذي ينتج سعة أكبر.

في حالة ثلاثة مكثفات

$C_T =C_1 +C_2 + C_3$

توصيل المكثفات على التوالي

فمن خواص التوالي نجد أن التيار يكون ثابت ومن ثم الشحنة على أحد لوحي المكثفين تكون متساوية بينما ينقسم فرق الجهد على المكثفين. وعند تطبيق نفس القوانين للحصول على السعة المكافئة نجد أنها