عدة مكثفات ، مكونات كهربائية أسطوانية صغيرة ، ملحومة بهذه اللوحة الأم. بيتر ديزلي / جيتي إيماجيس

بطريقة ما ، المكثف يشبه إلى حد ما البطارية. على الرغم من أنها تعمل بطرق مختلفة تمامًا ، إلا أن المكثفات والبطاريات تعمل على تخزين الطاقة الكهربائية. إذا كنت قد قرأت  كيف تعمل البطاريات ، فأنت تعلم أن البطارية بها طرفان. داخل البطارية ، تنتج التفاعلات الكيميائية إلكترونات على أحد طرفيها ويمتصها الطرف الآخر عند إنشاء دائرة. المكثف أبسط بكثير من البطارية ، لأنه لا يمكنه إنتاج إلكترونات جديدة - إنه يخزنها فقط. يسمى المكثف لأنه يمتلك "القدرة" على تخزين الطاقة.

المكثف يشبه إلى حد ما البطارية.

في هذه المقالة ، سوف نتعلم بالضبط ما هو المكثف ، وماذا يفعل وكيف يتم استخدامه في الإلكترونيات. 

يمكن تصنيع المكثفات لخدمة أي غرض ، بدءًا من أصغر مكثف بلاستيكي في الآلة الحاسبة ، إلى مكثف فائق يمكنه تشغيل حافلة ركاب. فيما يلي بعض الأنواع المختلفة من المكثفات وكيفية استخدامها.

• الهواء: غالبًا ما يستخدم في دوائر ضبط الراديو
• مايلر: الأكثر استخدامًا لدوائر المؤقت مثل  الساعات وأجهزة الإنذار والعدادات
• الزجاج: جيد لتطبيقات الجهد العالي
• السيراميك: يستخدم لأغراض الترددات العالية مثل الهوائيات وأجهزة الأشعة السينية والتصوير بالرنين المغناطيسي
• مكثف فائق: قوى  السيارات الكهربائية والهجينة

داخل المكثف ،  تتصل المحطات بصفيحتين معدنتين  مفصولة بمادة غير موصلة ، أو  عازلة. يمكنك بسهولة  صنع مكثف  من قطعتين من رقائق  الألومنيوم  وقطعة من الورق (وبعض المشابك الكهربائية). لن يكون مكثفًا جيدًا بشكل خاص من حيث سعة التخزين ، لكنه سيعمل.

من الناحية النظرية ، يمكن أن يكون العازل أي مادة غير موصلة. ومع ذلك ، بالنسبة للتطبيقات العملية ، يتم استخدام مواد محددة تتناسب بشكل أفضل مع وظيفة المكثف. الميكا والسيراميك والسليلوز والبورسلين ومايلر والتفلون وحتى الهواء هي بعض المواد غير الموصلة المستخدمة. يحدد العازل نوع المكثف وما هو الأنسب له. اعتمادًا على حجم العازل ونوعه ، تكون بعض المكثفات أفضل للاستخدامات عالية التردد ، بينما يكون بعضها أفضل للاستخدامات عالية الجهد.

دائرة مكثف

عند توصيل مكثف ببطارية ، إليك ما يحدث:

• تقبل اللوحة الموجودة على المكثف والتي يتم توصيلها بالطرف السالب للبطارية الإلكترونات التي تنتجها البطارية.
• تفقد اللوحة الموجودة على المكثف والتي تتصل بالطرف الموجب للبطارية إلكترونات البطارية.

بمجرد شحن المكثف ، يكون له نفس  الجهد  مثل البطارية (1.5 فولت على البطارية تعني 1.5 فولت على المكثف). بالنسبة لمكثف صغير ، تكون السعة صغيرة. لكن المكثفات الكبيرة يمكن أن تحمل شحنة كبيرة. يمكنك العثور على مكثفات بحجم علب الصودا التي تحمل شحنة كافية لإضاءة مصباح يدوي لمدة دقيقة أو أكثر.

حتى الطبيعة تظهر أن المكثف يعمل على شكل برق. إحدى اللوحين هي  السحابة ، واللوحة الأخرى هي الأرض ، والبرق هو الشحنة المنبعثة بين هاتين "الصفيحتين". من الواضح أن مكثفًا بهذا الحجم يمكنه تحمل شحنة ضخمة!

لنفترض أنك قمت بتوصيل مكثف مثل هذا:

يوضح هذا الرسم البياني كيفية توصيل مكثف بالبطارية.

هنا لديك بطارية ومصباح كهربائي ومكثف. إذا كان المكثف كبيرًا جدًا ، ما ستلاحظه هو أنه عند توصيل البطارية ، سيضيء المصباح الكهربائي مع تدفق التيار من البطارية  إلى  المكثف لشحنها. سيصبح المصباح باهتًا بشكل تدريجي وينطفئ أخيرًا بمجرد وصول المكثف إلى سعته. إذا قمت بعد ذلك بإزالة البطارية واستبدالها بسلك ، فسوف يتدفق التيار من إحدى لوحات المكثف إلى الأخرى. سيضيء المصباح في البداية ثم يخفت عند تفريغ المكثف ، حتى ينفد تمامًا.

في القسم التالي ، سنتعلم المزيد عن السعة ونلقي نظرة مفصلة على الطرق المختلفة التي تستخدم بها المكثفات.

مثل برج الماء

تتمثل إحدى طرق تصور عمل المكثف في تخيله كبرج  مياه  متصل بالأنبوب. يقوم برج المياه "بتخزين" ضغط المياه - عندما تنتج مضخات نظام المياه كمية من المياه أكثر مما تحتاجه المدينة ، يتم تخزين الفائض في برج المياه. ثم ، في أوقات ارتفاع الطلب ، يتدفق الماء الزائد من البرج للحفاظ على الضغط مرتفعًا. يقوم المكثف بتخزين الإلكترونات بنفس الطريقة ويمكنه بعد ذلك إطلاقها لاحقًا.

فاراد

منظر لمكون إلكتروني يسمى مكثف فيلم. المكثف هو جهاز يخزن الطاقة الكهربائية في مجال كهربائي. JAVIER ZAYAS PHOTOGRAPHY / GETTY IMAGES

 تقاس  سعة تخزين المكثف ، أو السعة ، بوحدات تسمى الفاراد. يمكن لمكثف 1 فاراد تخزين كولوم واحد (coo-lomb) من الشحنة عند 1 فولت. الكولوم هو 6.25e18 (6.25 * 10 ^ 18 أو 6.25 مليار)  إلكترون.  يمثل أمبير  واحد معدل تدفق الإلكترون بمقدار 1 كولوم من الإلكترونات في الثانية ، لذلك يمكن لمكثف 1 فاراد أن يحمل 1 أمبير في الثانية من الإلكترونات عند 1 فولت.

عادة ما يكون مكثف 1 فاراد كبيرًا جدًا. قد تكون بحجم علبة تونة أو زجاجة صودا بسعة 1 لتر ، اعتمادًا على الجهد الذي يمكنها تحمله. لهذا السبب ، تُقاس المكثفات عادةً بالميكروفاراد (جزء من المليون من الفاراد).

للحصول على منظور حول حجم الفاراد ، فكر في هذا:

•  بطارية  AA قلوية قياسية تستوعب حوالي 2.8 أمبير في الساعة.
• هذا يعني أن بطارية AA يمكن أن تنتج 2.8 أمبير لمدة ساعة عند 1.5 فولت (حوالي 4.2 واط / ساعة - يمكن لبطارية AA أن تضيء لمبة متوهجة 4 وات لأكثر من ساعة بقليل).
• دعنا نسميها 1 فولت لتسهيل العمليات الحسابية. لتخزين طاقة بطارية AA واحدة في مكثف ، ستحتاج إلى 3600 * 2.8 = 10080 فاراد لتثبيتها ، لأن أمبير ساعة تبلغ 3600 أمبير في الثانية.

إذا احتاج الأمر إلى شيء بحجم علبة التونة لحمل فاراد ، فسيشغل 10080 فاراد مساحة أكبر بكثير من بطارية AA واحدة! من غير العملي استخدام المكثفات لتخزين أي قدر كبير من الطاقة ما لم تفعل ذلك بجهد عالٍ.

التطبيقات

الفرق بين المكثف والبطارية هو أن المكثف يمكنه تفريغ شحنته بالكامل في جزء صغير من الثانية ، حيث تستغرق البطارية دقائق لتفريغها تمامًا. لهذا السبب يستخدم الفلاش الإلكتروني في  الكاميرا  مكثفًا - تقوم البطارية بشحن مكثف الفلاش خلال عدة ثوانٍ ، ثم يقوم المكثف بإفراغ الشحنة الكاملة في أنبوب الفلاش على الفور تقريبًا. هذا يمكن أن يجعل المكثف الكبير المشحون خطيرًا للغاية - وحدات الفلاش وأجهزة  التلفزيون  لديها تحذيرات حول فتحها لهذا السبب. تحتوي على مكثفات كبيرة يمكن أن تقتلك بالشحنة التي تحتوي عليها.

تستخدم المكثفات بعدة طرق مختلفة في الدوائر الإلكترونية:

في بعض الأحيان ، تُستخدم المكثفات لتخزين الشحنات للاستخدام عالي السرعة. هذا ما يفعله الفلاش. تستخدم أشعة الليزر الكبيرة هذه التقنية أيضًا للحصول على ومضات فورية ومشرقة للغاية.

يمكن للمكثفات أيضًا التخلص من التموجات الكهربائية. إذا كان للخط الذي يحمل جهد التيار المستمر تموجات أو طفرات ، فيمكن لمكثف كبير أن يخرج الجهد عن طريق امتصاص القمم وملء الوديان.

يمكن للمكثف أن يمنع جهد التيار المستمر. إذا قمت بتوصيل مكثف صغير بالبطارية ، فلن يتدفق أي تيار بين أقطاب البطارية بمجرد شحن المكثف. ومع ذلك ، فإن أي إشارة تيار متناوب (AC) تتدفق عبر مكثف دون عوائق. هذا لأن المكثف سوف يشحن ويفرغ مع تذبذب التيار المتردد ، مما يجعل التيار المتردد يتدفق.

في القسم التالي ، سنلقي نظرة على تاريخ المكثف وكيف ساهمت بعض أكثر العقول ذكاءً في تقدمه.

المصدر: howstuffworks