السعة الكهربائية والسماحية الكهربائية
السعة الكهربائية -capacitance ويرمز لها بالحرف (C)- لمكثف ما تعطي فكرة عن مقدرته على تخزين الشحنة (Q) بين لوحيه. وﻻن ذلك يعتمد على فرق الجهد (V) فقد اصطلح على تعريفها لكل فولت بين طرفيه. تعطى السعة بالقانون التالي:
C = Q/V
لقد وضع الفيزيائيون اسما مميزا لوحدة السعة وهي الفاراد ويساوي كولوم/فولت فالمكثف الذي يخزن 1ملي كولوم/فولت سعته 1 ملي فاراد.
وتعتمد سعة المكثف على مساحة لوحيه والبعد بينهما وسماحية الوسط العازل permitivity. فزيادة المساحة او تقارب اللوحين تزيد قدرته على تخزين الشحنة. أما سماحية الوسط العازل فهي خاصية تعكس قدرة ذلك الوسط على استقطاب مزيد من الشحنة على اللوحين عند ثبات أبعاد المكثف وفرق الجهد بين طرفيه.
مكثفان أ و ب متماثلان في المساحة والبعد بين اللوحين غير ان العازل مختلف وبين طرفيهما 1 فولت. إذا خزن أ شحنة أكبر فسماحية وسطه العازل أكبر.
واستخدام مادة لها سماحية عالية بين لوحي المكثف يجعل من الممكن تصنيع مكثفات عالية السعة باحجام صغيرة.
تسمى نسبة سماحية الوسط الى سماحية الفراغ السماحية النسبية او ثابت العازل dielectric constant والحقيقية ان تسميته بثابت مضللة حيث يمكن ان تتغير قيمته عند تغير التردد، فثابت العازل للثلج قد يتغير من 80 الى 5 تبعا للتردد.
وتمثل سماحية وسط ما عاملا مهما لتحديد سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية فيه.
عند استخدام عازلين مختلفي السماحية بين موصلين فان المجال الكهربائي يقوى في العازل اﻻقل سماحية. فعند استخدام الزيت كعازل فان فقاعات الهواء يشتد فيها المجال مما قد يسبب انهيار جزئي.
وتتناسب الطاقة الكهربائية المختزنة في مكثف ما مع مربع الجهد بين طرفيه وقيمة سعته. فلنفس فرق الجهد يختزن المكثف ذو السعة الأكبر طاقة أكبر. وبسبب ارتباط جهد المكثف مباشرة بتخزين الطاقة فإن الجهد يتسم ببطء الاستجابة (قانون حفظ الطاقة)، لذا سنسميه المتغير اللاحق. كما إنه ذو ذاكرة فهو ينطلق من آخر قيمة استقر عندها. بالمقابل فإن تيار المكثف لا يرتبط بتخزين الطاقة وليس له ذاكرة، لذا سنسميه المتغير السابق، حيث بالامكان أن يتغير لحظيا.
وعند استخدام المكثف في دائرة جيبية المصدر {(vi =sin(wt} فإن المكثف يراغم تغير التيار بمراغمة تتناسب عكسيا مع تردد المصدر وسعة المكثف ويكون طور الجهد (المتغير اللاحق) متأخرا عن طور التيار (المتغير السابق) بمقدار 90 درجة. انظر الشكل 1.
الشكل 1 فرق الطور بين موجتي التيار والجهد في المكثف
ويعرف جيب تمام فرق الطور بين التيار والجهد بمعامل القدرة power factor ، لذا فمعامل القدرة للمكثف المثالي يساوي صفرا. أي أن المكثف المثالي لا يستهلك قدرة كهربائية على شكل حرارة. واذا اخذنا مقاومة العازل بالاعتبار فإن فرق الطور سيقل عن 90 درجة ويكون معامل القدرة صغير ولكن اكبر من الصفر. ونقول إن المكثف الفعلي له معامل قدرة سابق leading power factor.
ويمثل التيار بين لوحي المكثف نوعا خاصا يسمى تيار الازاحة displacement current ومكتشفه الفيزيائي ماكسويل، أجرى على أثره تعديلا على معادلة أمبير التي كانت تقصر المجال المغناطيسي على مرور تيار كهربائي دون الاخذ بالاعتبار تغير فيض المجال الكهربائي كما في حالة مكثف قيد الشحن أو التفريغ.
ويمكن فهم تيار الازاحة على أنه تيار حفزي ( لا يمثل انتقال فعلي للشحنات في الوسط) فكل الكترون يتراكم على أحد لوحي المكثف يقابله الكترون آخر يتنافر معه ويغادر اللوح الآخر. وخلال هذه العملية التي تتضمن تغير الشحنة فإن المجال الكهربائي يتغير. وهذا هو مضمون تعديل ماكسويل على قانون أمبير.
المقطع التالي يراجع أساسيات السعة الكهربائية ومواصفات المكثفات
المقطع التالي بخصوص المكثفات فائقة السعة
م. تركي بن عبدالعزيز الماضي
ملاحظة: اﻻقتباس العلمي ممكن مع ذكر المصدر