فهم السعة الكهربائية
يستطيع كوب صغير استيعاب كمية قليلة من الماء، بينما يستطيع كوب كبير استيعاب كمية أكبر. فكلما كبر حجم الكوب، زادت كمية الماء التي يمكنه استيعابها. لذا، لكل كوب سعة، أو مقياس لقدرته على استيعاب الماء. ومثل الأكواب، تتمتع المكثفات أيضًا بالقدرة على تخزين الشحنة الكهربائية والطاقة الكامنة الكهربائية. وتُسمى سعة المكثف، أو مقياس قدرته على تخزين الشحنة الكهربائية والطاقة الكامنة الكهربائية، بالسعة الكهربائية.
العوامل المؤثرة على السعة الكهربائية
تُحدد سعة الكوب لحفظ الماء بحجمه. ماذا عن المكثفات؟ ما الذي يُحدد سعة المكثف لتخزين الشحنة الكهربائية؟
يوضح الشكل أدناه مكثفًا بسيطًا يتكون من لوحين موصلين يفصل بينهما مسافة معينة. قبل توصيله بمصدر جهد، مثل بطارية، يكون كلا اللوحين غير مشحونين. بعد ذلك، يتم توصيل أحد اللوحين بالقطب الموجب للبطارية والآخر بالقطب السالب باستخدام أسلاك.
بعد توصيل اللوح بالطرف الموجب للبطارية، تجذب الشحنة الموجبة في البطارية الإلكترونات سالبة الشحنة على اللوح، مما يؤدي إلى انتقالها نحو الطرف الموجب للبطارية. ينتج عن ذلك نقص في الإلكترونات (شحنة سالبة) وزيادة في البروتونات (شحنة موجبة) على اللوح، مما يؤدي إلى شحنه بشحنة موجبة.
وبالمثل، بعد توصيل الصفيحة بالقطب السالب للبطارية، تجذب الشحنة الموجبة على الصفيحة الإلكترونات سالبة الشحنة الموجودة على القطب السالب للبطارية، مما يؤدي إلى انتقال الإلكترونات إلى الصفيحة. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات على الصفيحة، مما يجعلها مشحونة بشحنة سالبة.
تتوقف عملية انتقال الإلكترونات بين الألواح والبطارية بعد أن يصبح فرق الجهد بين اللوحين مساوياً لفرق الجهد بين قطبي البطارية.
كيف يمكن زيادة الشحنة الكهربائية على لوحي الموصل؟ بعبارة أخرى، ما الذي يجب فعله لإعادة انتقال الإلكترونات؟ يحدث انتقال الإلكترونات فقط عندما يكون فرق الجهد الكهربائي بين قطبي البطارية أكبر من فرق الجهد الكهربائي بين لوحي الموصل. لكي يحدث انتقال الإلكترونات مرة أخرى، وبالتالي تزداد الشحنة الكهربائية على كل لوح موصل، تُستبدل البطارية المستخدمة ببطارية أخرى أو بمصدر جهد آخر ذي فرق جهد كهربائي أكبر. يتوقف انتقال الإلكترونات عندما يتساوى فرق جهد مصدر الجهد مع فرق جهد المكثف، لذا إذا كان فرق جهد مصدر الجهد أكبر، فإن فرق جهد المكثف يكون أكبر أيضًا.
بناءً على المراجعة السابقة، يمكن استنتاج أنه كلما زادت الشحنة الكهربائية المخزنة على كل لوحة موصلة، زاد فرق الجهد الكهربائي بين اللوحتين. وبالتالي، تتناسب الشحنة الكهربائية (Q) طرديًا مع فرق الجهد الكهربائي (V). وتُعبّر العلاقة بين الشحنة الكهربائية وفرق الجهد الكهربائي بالتناسب التالي:
Q α V
يتم تحويل التناسب المذكور أعلاه إلى معادلة بإضافة ثابت التناسب C:
Q = CV أو C = Q / V
الوصف: Q = الشحنة الكهربائية (كولوم)، V = فرق الجهد الكهربائي أو الجهد الكهربائي (فولت)، C = ثابت التناسب، والذي يسمى سعة المكثف.
لا تعتمد قيمة السعة الكهربائية على الشحنة الكهربائية أو الجهد، بل على شكل وحجم لوحي التوصيل. وقد تم شرح البرهان الرياضي على اعتماد السعة على شكل وحجم لوحي التوصيل في مقال يتناول أنواع المكثفات بناءً على شكل لوحي التوصيل، وهي: المكثفات ذات اللوحين المتوازيين ، والمكثفات الأسطوانية ، والمكثفات الكروية . ويفترض المقال وجود فراغ بين لوحي التوصيل.
تعتمد سعة المكثف أيضًا على خصائص المادة الموجودة بين لوحيه الموصلين. تُسمى هذه المادة بالعازل . وتُناقش سعة المكثف المزود بعازل بالتفصيل في مقال ثابت العزل.
وحدة السعة
وحدة الشحنة الكهربائية هي الكولوم، ووحدة فرق الجهد الكهربائي هي الفولت. وبناءً على معادلة السعة الكهربائية المذكورة أعلاه، فإن وحدة السعة هي كولوم لكل فولت (C/V)، وتُسمى أيضًا فاراد (F)، نسبةً إلى العالم البريطاني مايكل فاراداي (1791-1867). إذن، 1 فاراد = 1 كولوم/فولت.
على سبيل المثال، تبلغ سعة المكثف 2 فاراد، أي أنه يخزن شحنة كهربائية مقدارها +2 كولوم على أحد لوحيه الموصلين و-2 كولوم على اللوح الآخر، حيث يبلغ فرق الجهد بين اللوحين 1 فولت. إذا تم توصيل بطارية جهدها 12 فولت بالمكثف، فستحمل إحدى لوحيه الموصلين شحنة كهربائية مقدارها Q = CV = (2)(12 فولت) = +24 كولوم، بينما ستحمل اللوح الآخر شحنة مقدارها -24 كولوم.
تجدر الإشارة إلى أن الفاراد وحدة قياس كبيرة جدًا للسعة الكهربائية، ولذلك تُستخدم عادةً وحدات أصغر، وهي الميكروفاراد (μF) (10⁻⁶ فاراد ) والبيكوفاراد (pF) (10⁻¹² فاراد ). وتُناقش الحسابات الرياضية التي تُبين أن الفاراد وحدة كبيرة جدًا في مثال المكثف ذي اللوحين المتوازيين.
