السعة هي مفهوم أساسي في الكهرباء الساكنة، وتتضمن قدرة النظام على تخزين الشحنة الكهربائية. وهو مقياس لكمية الشحنة الكهربائية المخزنة لجهد كهربائي معين. تعتبر السعة أمرًا بالغ الأهمية في تصميم وتشغيل مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك المكثفات، وهي المكونات التي تقوم بتخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية.
يتم تعريف السعة على أنها نسبة الشحنة الكهربائية ( \(Q\) ) الموجودة على كل موصل إلى فرق الجهد ( \(V\) ) بينهما. يتم التعبير عن صيغة السعة ( \(C\) ) على النحو التالي:
\(C = \frac{Q}{V}\)وحدة السعة هي فاراد (F)، سميت على اسم مايكل فاراداي. مكثف سعته واحد فاراد يخزن كولومًا واحدًا من الشحنة الكهربائية عندما يكون فرق الجهد بين ألواحه واحدًا فولت.
يتكون المكثف الأساسي من موصلين مفصولين بمادة عازلة تعرف باسم العازل. يمكن أن تكون الموصلات بأشكال مختلفة، مثل الألواح أو المجالات أو الأسطوانات. تلعب المادة العازلة دورًا حاسمًا في تحديد سعة المكثف عن طريق مقاومة تدفق الشحنة الكهربائية، مما يعزز قدرة تخزين الشحنة للمكثف.
بالنسبة لمكثف ذو لوحة متوازية، يمكن حساب السعة باستخدام الصيغة:
\(C = \epsilon \frac{A}{d}\)حيث \(C\) هي السعة، \(\epsilon\) هي سماحية المادة العازلة، \(A\) هي مساحة إحدى اللوحات، و \(d\) هي المسافة بين اللوحين .
يقوم المكثف بتخزين الطاقة في المجال الكهربائي المتولد بين ألواحه. يتم الحصول على الطاقة ( \(U\) ) المخزنة في مكثف مشحون بالمعادلة:
\(U = \frac{1}{2} CV^{2}\)توضح هذه المعادلة أن الطاقة المخزنة في المكثف تتناسب طرديًا مع مربع الجهد عبره وتتناسب طرديًا مع سعته. يتم استخدام هذا المبدأ في الأجهزة الإلكترونية المختلفة لتخزين وإطلاق الطاقة حسب الحاجة.
إن العازل الموجود بين ألواح المكثف ليس مجرد عازل؛ كما أنه يؤثر على السعة عن طريق الاستقطاب استجابة للمجال الكهربائي. يؤدي هذا الاستقطاب إلى تقليل المجال الكهربائي الفعال داخل المكثف، مما يزيد من قدرته على تخزين الشحنة. ثابت العزل الكهربائي ( \(\kappa\) ) هو مقياس لهذا التأثير، حيث تشير القيم الأعلى إلى سعة أكبر.
عندما يتم توصيل المكثفات على التوالي، تكون السعة الإجمالية ( \(C_{total}\) ) أقل من أي من السعات الفردية، ويتم حسابها باستخدام صيغة مقلوب مجموع المقلوبات:
\(\frac{1}{C_{total}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + ... + \frac{1}{C_n}\)على العكس من ذلك، عندما يتم توصيل المكثفات على التوازي، فإن السعة الإجمالية هي مجموع السعات الفردية:
\(C_{total} = C_1 + C_2 + ... + C_n\)يسمح هذا التكوين بزيادة السعة الإجمالية للدائرة، حيث تضاف سعة تخزين الشحن لكل مكثف لتوفير سعة تخزين إجمالية أعلى.
تتضمن تجربة فهم السعة قياس الشحنة المخزنة بواسطة مكثف عند جهود مختلفة. من خلال توصيل مكثف بمصدر طاقة متغير وقياس الشحنات المتراكمة عند جهود مختلفة باستخدام مقياس حساس، يمكن تحديد سعة المكثف باستخدام العلاقة \(C = \frac{Q}{V}\) .
يرتبط المجال الكهربائي ( \(E\) ) بين ألواح المكثف بكثافة الشحنة ( \(\sigma\) ) على الألواح والسماحية للعازل الكهربائي ( \(\epsilon\) ) بالمعادلة :
\(E = \frac{\sigma}{\epsilon}\)يكون المجال الكهربائي أقوى ما يكون بالقرب من الصفائح ويضعف كلما ابتعدت عن الصفائح. يقوم هذا الحقل بتخزين الطاقة عندما يتم شحن المكثف، ولهذا السبب يمكن للمكثف أن يطلق الطاقة عندما ينهار المجال الكهربائي.
المكثفات هي مكونات متكاملة في الدوائر والأجهزة الإلكترونية. يتم استخدامها في:
السعة هي مفهوم أساسي في الكهرباء الساكنة والإلكترونيات، وتمثل قدرة النظام على تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية. ويتأثر بعوامل مثل حجم الصفائح الموصلة، والمسافة بينها، ونوع المادة العازلة المستخدمة. المكثفات، التي تستغل السعة، تجد تطبيقًا واسعًا في تخزين الطاقة، وتكييف الطاقة، ومعالجة الإشارات وغيرها. يعد فهم السعة أمرًا بالغ الأهمية لتصميم الدوائر والأجهزة الإلكترونية والعمل معها.
