تعريف سعة المكثفات
يمكن لكأس صغير أن يحتوي على كمية قليلة من الماء، بينما يمكن لكأس كبير أن يحتوي على كمية أكبر. كلما زاد حجم الكأس، زادت كمية الماء التي يمكن أن يحتويها. لذا، لكل كأس سعة أو حجم يحدد قدرته على احتواء الماء. ومثل الزجاج، يمكن للمكثفات أيضًا تخزين الشحنات الكهربائية والطاقة الكامنة الكهربائية. وتُسمى سعة المكثف لتخزين الشحنات الكهربائية والطاقة الكامنة الكهربائية بالسعة الكهربائية.
العوامل المؤثرة على السعة الكهربائية
تتحدد سعة الكأس لاحتواء الماء بحجم الكأس. ماذا عن المكثفات، ما الذي يحدد سعة المكثف لتخزين الشحنة الكهربائية؟
يوضح الشكل الجانبي مكثفًا بسيطًا يتكون من لوحين موصلين يفصل بينهما مسافة معينة. قبل توصيله بمصدر جهد، كالبطارية مثلاً، لا يكون اللوحان مشحونين كهربائيًا. ثم يُوصل أحد اللوحين بالقطب الموجب للبطارية، والآخر بالقطب السالب، باستخدام كابل.
بعد توصيل اللوح بالقطب الموجب للبطارية، تجذب الشحنة الموجبة على البطارية الإلكترونات سالبة الشحنة الموجودة على اللوح، مما يؤدي إلى انتقال الإلكترونات نحو القطب الموجب للبطارية. ينتج عن ذلك نقص في الإلكترونات (شحنة سالبة) ووجود فائض من البروتونات (شحنة موجبة) على اللوحين، فيصبحان مشحونين بشحنة موجبة.
بعد توصيل اللوح بالقطب السالب للبطارية، تجذب الشحنة الموجبة على اللوح الإلكترونات سالبة الشحنة الموجودة على القطب السالب للبطارية، مما يؤدي إلى انتقال الإلكترونات إلى اللوح. يتسبب هذا في زيادة شحنة الإلكترونات على اللوح، فيصبح سالب الشحنة. تتوقف عملية انتقال الإلكترونات بين الألواح والبطاريات عندما يصبح فرق الجهد بين اللوحين مساويًا لفرق الجهد بين قطبي البطارية.
كيف تزيد الشحنة الكهربائية على لوحي الموصل؟ بعبارة أخرى، ما الذي يجب فعله لنقل الإلكترونات من وإلى القطب الموجب للبطارية؟ يحدث انتقال الإلكترونات فقط عندما يكون فرق الجهد الكهربائي بين قطبي البطارية أكبر من فرق الجهد الكهربائي بين الموصلين. لكي تتحرك الإلكترونات مرة أخرى، وبالتالي تزداد الشحنة الكهربائية في كل لوح موصل، تُستبدل البطارية بمصدر جهد آخر ذي فرق جهد كهربائي أكبر. يتوقف انتقال الإلكترونات عندما يتساوى فرق الجهد في مصدر الجهد مع فرق الجهد في المكثف. لذلك، إذا كان فرق الجهد في مصدر الجهد أكبر من فرق الجهد في المكثف، فسيكون فرق الجهد في المكثف أكبر أيضًا.
بناءً على المراجعة السابقة، يمكن استنتاج أنه كلما زادت الشحنة الكهربائية المخزنة في كل لوحة موصلة، زاد فرق الجهد الكهربائي بين اللوحتين. لذا، فإن الشحنة الكهربائية (Q) تتناسب طرديًا مع فرق الجهد الكهربائي (V). وتُوضح العلاقة بين الشحنة الكهربائية وفرق الجهد الكهربائي في المقارنة التالية:
Q α V
يتم تحويل المقارنات المذكورة أعلاه إلى معادلات عن طريق إضافة الثابت C:
Q = CV أو C = Q / V
Q = الشحنة الكهربائية (كولوم)، V = فرق الجهد الكهربائي أو الفولت (فولت)، C = ثابت يسمى سعة المكثف.
لا تعتمد قيمة السعة الكهربائية على الشحنة الكهربائية أو الجهد الكهربائي، بل على شكل وحجم لوح الموصل. وقد تم شرح البرهان الرياضي على اعتماد السعة على شكل وحجم لوح الموصل في موضوع المكثف ذي اللوحين المتوازيين، حيث يُفترض وجود فراغ بين الموصلين.
تعتمد سعة المكثف أيضًا على طبيعة المادة الموجودة بين لوحي التوصيل. تُسمى هذه المادة بالعازل. وتُناقش سعة المكثفات التي تحتوي على عوازل بالتفصيل في موضوع ثوابت العزل.
وحدة السعة
وحدة الشحنة الكهربائية هي الكولوم، ووحدة فرق الجهد الكهربائي هي الفولت، وذلك استنادًا إلى معادلة السعة الكهربائية المذكورة أعلاه. وحدة السعة الكهربائية هي كولوم لكل فولت (C/V)، وتُسمى أيضًا فاراد (F)، نسبةً إلى العالم البريطاني مايكل فاراداي (1791-1867). إذن، 1 فاراد = 1 كولوم/فولت.
لنفترض أن مكثفًا سعته 2 فاراد يعني 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 12 فولت بالمكثف، فإن شحنة أحد اللوحين الموصلين ستكون Q = CV = (2) (12 فولت) = +24 كولوم، بينما ستكون شحنة اللوح الآخر -24 كولوم.
يرجى ملاحظة أن الفاراد وحدة قياس سعة كبيرة جدًا، ولذلك يُستخدم عادةً كوحدة أصغر، وهي الميكروفاراد (μF) (10⁻⁶ فاراد ) أو البيكوفاراد (pF) (10⁻¹² فاراد ). وقد تم توضيح الحسابات الرياضية التي تُبين أن الفاراد وحدة ضخمة في موضوع المكثف ذي اللوحين المتوازيين.
