كانت السنوات الرائدة في تاريخ المكثفات هي الوقت الذي تم فيه استخدام المكثفات بشكل أساسي لاكتساب فهم مبكر للكهرباء ، قبل اكتشاف الإلكترون. لقد كان أيضًا وقتًا لإجراء عروض توضيحية للصالون ، مثل وجود صف من الأشخاص ممسكين بأيديهم وتفريغ مكثف من خلالهم. بدأ العصر الحديث للمكثفات في أواخر القرن التاسع عشر مع بزوغ فجر عصر التطبيق العملي للكهرباء ، الأمر الذي يتطلب مكثفات موثوقة بخصائص محددة.

ليدن جارس

ماركوني مع جهاز الإرسال ، نُشر على LIFE [المجال العام] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

كان أحد هذه الاستخدامات العملية في أجهزة الإرسال اللاسلكية ذات فجوة الشرارة من Marconi التي بدأت قبل عام 1900 مباشرةً وحتى العقد الأول والثاني. قامت أجهزة الإرسال ببناء جهد عالي للتفريغ عبر فجوة شرارة ، ولذلك استخدمت المكثفات الخزفية لتحمل هذا الجهد. كان مطلوبًا أيضًا التردد العالي. كانت هذه الجرار أساسًا ليدن ، وللحصول على السعات المطلوبة استهلكت مساحة كبيرة.

ميكا

في عام 1909 ، اخترع ويليام دوبيلييه مكثفات ميكا أصغر حجمًا والتي تم استخدامها بعد ذلك على جانب الاستقبال لدوائر الطنين في الأجهزة اللاسلكية.

كانت مكثفات الميكا المبكرة عبارة عن طبقات من الميكا ورقائق نحاسية ملتصقة ببعضها البعض كما كان يسمى "مكثفات الميكا المثبتة". ومع ذلك ، لم تكن هذه المكثفات موثوقة للغاية. نظرًا لكونه مجرد صفائح ميكا مضغوطة على رقائق معدنية ، كانت هناك فجوات هوائية بين الميكا والرقائق. تسمح هذه الفجوة بالأكسدة والتآكل ، وتعني أن المسافة بين الألواح قابلة للتغيير ، مما يغير السعة.

في عشرينيات القرن الماضي ، تم تطوير مكثفات الميكا الفضية ، حيث يتم طلاء الميكا على كلا الجانبين بالمعدن ، مما يلغي فجوات الهواء. باستخدام طلاء معدني رقيق بدلاً من الرقائق السميكة ، يمكن أيضًا جعل المكثفات أصغر. كانت هذه موثوقة للغاية. بالطبع لم نتوقف عند هذا الحد. تميز العصر الحديث للمكثفات باختراق تلو الآخر لقصة رائعة. لنلقي نظرة.

سيراميك

MLCCs حول معالج دقيق. بواسطة Elcap [CC BY-SA 3.0] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

في عشرينيات القرن الماضي ، لم تكن الميكا متوفرة بكثرة في ألمانيا ، لذا فقد جربوا عائلات جديدة من المكثفات الخزفية ، ووجدوا أن ثاني أكسيد التيتانيوم (الروتيل) له اعتماد خطي على درجة الحرارة لتعويض درجة الحرارة ويمكن أن يحل محل مكثفات الميكا. تم إنتاجها بكميات صغيرة في البداية وبكميات أكبر في الأربعينيات. كانت تتألف من قرص معدني على كلا الجانبين.

للحصول على سعة أعلى من الخزف الآخر ، تم استخدام تيتانات الباريوم ، حيث كان لها 10 أضعاف سماحية الميكا أو ثاني أكسيد التيتانيوم. ومع ذلك ، كان لديهم معلمات كهربائية أقل استقرارًا ويمكنهم استبدال الميكا فقط عندما يكون الاستقرار أقل أهمية. تم تحسين هذا بعد الحرب العالمية الثانية.

أطلقت شركة أمريكية في عام 1961 الريادة في المكثف الخزفي متعدد الطبقات (MLCC) والذي كان أكثر إحكاما وسعة أعلى. اعتبارًا من عام 2012 ، يتم إنتاج أكثر من 10 ^ 12 MLCCs تيتانات الباريوم كل عام.

ألومنيوم كهربائي

مكثف كهربائيا

في تسعينيات القرن التاسع عشر ، وجد تشارلز بولاك أن طبقة الأكسيد الموجودة على أنود الألومنيوم كانت مستقرة في محلول محايد أو قلوي وتم منحه براءة اختراع في عام 1897 لمكثف ألومنيوم إلكتروليت بوراكس. ظهرت أول مكثفات إلكتروليتية "رطبة" في أجهزة الراديو لفترة وجيزة في عشرينيات القرن الماضي ، ولكن كان لها عمر محدود. كانت تسمى "رطبة" بسبب محتواها المائي العالي. كانت في الأساس عبارة عن حاوية بها أنود معدني مغمور في محلول من البورق أو أي إلكتروليت آخر مذاب في الماء. كان الجزء الخارجي من الحاوية بمثابة اللوح الآخر. تم استخدام هذه في مقاسم الهاتف الكبيرة لتقليل ضوضاء الترحيل.

تم تسجيل براءة الاختراع للسلف الحديث للمكثف الكهربائي في عام 1925 بواسطة Samual Ruben. قام بوضع إلكتروليت شبيه بالهلام بين الأنود المطلي بالأكسيد والصفيحة الثانية ، وهي عبارة عن رقائق معدنية ، مما يلغي الحاجة إلى وعاء مملوء بالماء. وكانت النتيجة مكثف إلكتروليتي "جاف". كانت الإضافة الأخرى عبارة عن مساحة ورقية بين لفات الرقائق. كل هذا قلل الحجم والسعر بشكل كبير.

في عام 1936 ، قدمت شركة Cornell-Dubilier مكثفات الألومنيوم كهربائياً ، بما في ذلك تحسينات مثل تقوية سطح الأنود لزيادة السعة. بدأت Hydra-Werke ، إحدى شركات AEG ، الإنتاج الضخم في برلين ، ألمانيا في نفس الوقت.

بعد الحرب العالمية الثانية ، أدى التطور السريع لتكنولوجيا الراديو والتلفزيون إلى كميات إنتاج أكبر بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من الأنماط والأحجام. تضمنت التحسينات تقليل تيارات التسرب ومقاومة السلاسل المكافئة (ESR) ، ونطاقات درجة حرارة أوسع وعمرًا أطول باستخدام إلكتروليتات جديدة تعتمد على المواد العضوية. تضمنت التطورات الأخرى من السبعينيات إلى التسعينيات أيضًا خفض تيارات التسرب ، والمزيد من الانخفاض في ESR وارتفاع درجات الحرارة.

ما أصبح يعرف باسم "طاعون المكثف" حدث خلال الأعوام 2000 إلى 2005 ، ربما بسبب استخدام وصفة مسروقة ولكن بدون بعض مواد التثبيت التي تؤدي إلى فشل سابق لأوانه.

التنتالوم الكهربائي

مكثف التنتالوم على السطح. بواسطة Epop [المجال العام] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

تم تصنيع مكثفات التنتالوم الإلكتروليتية لأول مرة لأغراض عسكرية في ثلاثينيات القرن الماضي. تستخدم هذه رقائق التنتالوم الجرح وإلكتروليت غير صلب. في الخمسينيات من القرن الماضي ، صنعت مختبرات بيل أول مكثفات التنتالوم الصلبة بالكهرباء. قاموا بتقطيع التنتالوم إلى مسحوق وتلبيده على شكل أسطوانة. في البداية تم استخدام إلكتروليت سائل ولكنهم اكتشفوا بعد ذلك أنه يمكن استخدام ثاني أكسيد المنغنيز كإلكتروليت صلب.

على الرغم من أن مختبرات بيل صنعت الاختراعات الأساسية ، في عام 1954 ، قامت شركة Sprague Electric بتحسينات في العملية ، حيث أنتجت أول مكثفات التنتالوم الصلبة بالكهرباء القابلة للتطبيق تجاريًا.

شهد عام 1975 ظهور المكثفات الإلكتروليتية التنتالوم البوليمرية مع بوليمرات موصلة أعلى بكثير لتحل محل ثاني أكسيد المنغنيز مما أدى إلى انخفاض ESR. أصدرت شركة NEC مكثفات التنتالوم البوليمر الخاصة بها في عام 1995 من أجل SMDs (الأجهزة المثبتة على السطح) مع سانيو التي حذت حذوها في عام 1997.

يخضع خام التنتالوم لصدمات أسعار وقد حدث حدثان من هذا القبيل في 1980 و 2000/2001. أدت الصدمة الأخيرة إلى تطوير مكثفات التحليل الكهربائي النيوبيوم مع إلكتروليت ثنائي أكسيد المنغنيز ، مما يوفر خصائص مماثلة تقريبًا لمكثفات التنتالوم.

فيلم بوليمر

مكثفات الفيلم. Elcap [CC-BY-SA 3.0] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

تم تسجيل براءة اختراع مكثف الورق المعدني في عام 1900 من قبل GF Mansbridge. تم المعدن عن طريق طلاء الورق بقطعة قماش مملوءة بجزيئات معدنية. كانت هذه تستخدم بشكل شائع في أوائل القرن العشرين كمكثفات فصل في الاتصالات الهاتفية (الاتصالات السلكية واللاسلكية.) خلال الحرب العالمية الثانية ، قام بوش بتحسين العملية وصنعها عن طريق طلاء الورق بالورنيش واستخدام الترسيب الفراغي للمعادن لتغطيته. في حوالي عام 1954 ، صنعت شركة Bell Labs غشاء ورنيش معدني بسمك 2.5 ميكرومتر منفصل عن الورق مما أدى إلى مكثفات أصغر بكثير. يمكن اعتبار هذا أول مكثف بوليمر فيلم.

أدى البحث في البلاستيك من قبل الكيميائيين العضويين خلال الحرب العالمية الثانية إلى المضي قدمًا في هذا الأمر. في عام 1954 ، كان أول
مكثف مايلر واحدًا من هؤلاء. تم تسجيل Mylar بواسطة Dupont في عام 1952 وهو PET قوي جدًا (بولي إيثيلين تيريفثاليت). في عام 1954 ، تم إنتاج مكثف فيلم مايلر 12 ميكرون. بحلول عام 1959 ، تضمنت القائمة المكثفات المصنوعة من البولي إيثيلين والبوليسترين وبولي تترافلورو إيثيلين و PET والبولي كربونات. بحلول عام 1970 ، كانت المرافق الكهربائية تستخدم مكثفات رقائق معدنية بدون الورق.

طبقة مزدوجة (المكثفات الفائقة)

Supercapacitors، Maxwell Technologies، Inc. [CC BY-SA 3.0] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

يأخذنا هذا إلى آخر أنواع المكثفات لدينا ، والمثيرة إلى حد ما في ذلك مع السعات بآلاف الفاراد. في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، استخدمت الأبحاث في شركة جنرال إلكتريك خلفيتها مع خلايا الوقود والبطاريات القابلة لإعادة الشحن لتجربة المكثفات باستخدام أقطاب كربون مسامية. أدى هذا إلى حصول H.Becker على براءة اختراع للمكثف باعتباره "مكثفًا كهربائيًا منخفض الجهد مع أقطاب كربون مسامية" ، ولم يفهم المبدأ الكامن وراءه والذي يؤدي إلى السعة العالية للغاية. لم تتابع جنرال إلكتريك ذلك أكثر.

طورت شركة Standard Oil of Ohio نسخة أخرى ، ثم قامت بترخيصها في السبعينيات لشركة NEC التي قامت بتسويقها أخيرًا تحت الاسم التجاري ، supercapacitor. تم تصنيفها عند 5.5 فولت ولديها سعات تصل إلى 1F. كان حجمها يصل إلى 5 سم 3 وتم استخدامها كطاقة احتياطية لذاكرة الكمبيوتر.

عمل بريان إيفانز كونواي ، الأستاذ الفخري في جامعة أوتاوا ، على المكثفات الكهروكيميائية لأكسيد الروثينيوم من 1975 إلى 1980. في عام 1991 وصف الفرق بين المكثفات الفائقة والبطاريات في التخزين الكهروكيميائي ، وقدم شرحًا كاملاً في عام 1999 أثناء صياغة المصطلح supercapacitor مرة أخرى.

نمت المنتجات والأسواق ببطء مع أسماء المنتجات مثل Goldcaps و Dynacap و PRI Ultracapacitor ، وهذا الأخير هو أول مكثف فائق ذو مقاومة داخلية منخفضة تم تطويره في عام 1982 من قبل معهد أبحاث بيناكل (PRI) للأغراض العسكرية.

تشمل التطورات الحديثة نسبيًا في السوق مكثفات الليثيوم أيون التي تغذي أنود الكربون المنشط بأيونات الليثيوم. هذه لها سعات بآلاف الفاراد (4 أرقام) عند حوالي 2.7 فولت.

خاتمة

استنادًا إلى تعليقاتك ردًا على تاريخ المكثف - السنوات الرائدة  ، لا يوجد نقص في استخدام مصطلح المكثف بدلاً من المكثف. إذن من أين يأتي مصطلح مكثف؟ يبدو أن هذا غير معروف ، لكن قاموس أوكسفورد الإنجليزي يقتبس من عام 1922 BSI (المعهد البريطاني للمعايير؟) مسرد للمصطلحات في الهندسة الكهربائية الذي يقول أن "المكثف" هو "مصطلح جديد" ويقترح استخدامه لتجنب الخلط مع البخار. 'مكثف'.

المصدر: HACKADAY