مكثف- يعني التخزين. في المعدات الراديوية والإلكترونية، المكثف هو جهاز تخزين للشحنات الكهربائية. أبسط مكثف يتكون من لوحين معدنيين مفصولين بطبقة عازلة. العازل هو مادة لا توصل التيار الكهربائي ولها خصائص معينة سنتحدث عنها بعد قليل.

بما أن المكثف هو جهاز تخزين، فيجب أن يكون له سعة معينة (حجم لتخزين الشحنات). تتأثر سعة المكثف بمساحة الألواح (وتسمى أيضًا "الألواح")، والمسافة بين الألواح وجودة العازل الكهربائي. تشمل المواد العازلة الجيدة الفراغ والإيبونيت والبورسلين والميكا والبولي إيثيلين والتكستوليت والعديد من المواد الاصطناعية الأخرى.
يوضح الشكل مكثفًا بسيطًا به لوحين متوازيين بمساحة S (S = m * n)، موجودان في فراغ على مسافة d من بعضهما البعض.

إذا تم تطبيق جهد Uab بين الصفائح العلوية والسفلية للمكثف، فإن نفس الشحنات الموجبة +q و -q السالبة، والتي تسمى مجانية، سوف تتراكم على الصفائح العلوية والسفلية للمكثف. يظهر مجال كهربائي بين اللوحين، موضح في الشكل بالحرف E.
سعة المكثف (المشار إليها بالحرف C) ستكون: C = Eo*S/d، حيث Eo هو الثابت الكهربائي (للفراغ) Eo = 8.854 * 10 -12 F/m (فاراد لكل متر).
إذا تم وضع عازل بين اللوحين

فإن سعة المكثف ستكون: C = Er * Eo *S / d. في صيغة حساب السعة، تمت إضافة القيمة Er - ثابت العزل الكهربائي النسبي للعازل المُدخل.
يترتب على الصيغة أن سعة المكثف تزداد بقيمة Er لنفاذية العزل الكهربائي. لذلك، كلما زادت مساحة S لألواح المكثف، زادت قيمة Er، وكلما كانت المسافة d بين الألواح أصغر، زادت سعة المكثف. الوحدة الأساسية للسعة في النظام الدولي للوحدات هي الفاراد (F). سعة 1F كبيرة جدًا. في الهندسة الكهربائية، عادةً ما يتم استخدام وحدات فرعية متعددة من السعة:
ميكروفاراد (μF)، 1 μF = 1*10 -6 فهرنهايت،
نانوفاراد (nF)، 1nF = 1*10 -9 F، و
بيكوفاراد (pF)، 1pF = 1*10 -12 فهرنهايت.

عند اختيار عازل للمكثفات، بالإضافة إلى ثابت العزل الكهربائي النسبي للعازل، يتم أخذ معلمتين أكثر أهمية في الاعتبار:
1) القوة الكهربائية - قوة العازل عند تطبيق الجهد العالي على منصات المكثف. عند انخفاض القوة الكهربائية، قد يحدث انهيار كهربائي وسيصبح العازل موصلًا للتيار الكهربائي؛
2) مقاومة الحجم - المقاومة الكهربائية للعازل للتيار المباشر. كلما زادت مقاومة العازل الكهربائي، قل تسرب الشحنات المتراكمة في المكثف.

مكثف في دائرة العاصمة. في الرسم البياني، يبدو تراكم الشحنات بواسطة مكثف كما هو موضح في الشكل 1.

يعتمد وقت شحن المكثف على سعة المكثف (عند نفس الجهد المطبق). كلما زادت سعة المكثف، زادت مدة الشحن. يتم ملاحظة صورة مماثلة (الشكل 2) عند تفريغ مكثف للمقاومة. مع نفس المقاومة، يكون وقت التفريغ أطول بالنسبة للمكثف ذو السعة الأكبر.

مكثف في دائرة التيار المتردد. إذا تغير الجهد المطبق على عنصر السعة في السعة (الجهد المتناوب)، فسوف تتغير أيضًا شحنة المكثف، أي سيظهر تيار في عنصر السعة.

يعتمد التيار Ic الذي يمر عبر المكثف على التردد f للجهد المتناوب المطبق والسعة C للمكثف. إذا كان من الممكن اعتبار مقاومة المكثف للتيار المباشر مساوية لما لا نهاية، فإن المكثف لديه مقاومة معينة للتيار المتردد. يتم حساب مقاومة التيار المتردد للمكثف Rc باستخدام الصيغة الموضحة في الشكل.
في صيغة حساب السعة للتيار المتردد، يتم التعبير عن التردد بالهرتز، وسعة المكثف بالفاراد. من الصيغة يمكن أن نرى أنه مع زيادة التردد f، مع سعة مكثف ثابتة، تتناقص المقاومة Rc، وبالمثل، مع زيادة سعة المكثف بتردد ثابت، تنخفض المقاومة Rc أيضًا. يمكن توصيل المكثفات وكذلك المقاومات على التوازي أو على التسلسل للحصول على سعة معينة. تظهر صيغ حساب السعة الناتجة في الشكل.

التصميم والمعلمات وأنواع المكثفات. لنفترض أننا نصمم مكثفًا ونحاول، مع وجود معرفة معينة بالفعل، حساب سعة المكثف. كما هو معروف فإن سعة المكثف تعتمد على مساحة الصفائح S، والمسافة بين الصفائح d وثابت العزل Er للعازل المستخدم. ألواح المكثفات مصنوعة من معادن ذات موصلية كهربائية جيدة - الألومنيوم والنحاس والفضة والذهب. لا تعتمد سعة المكثف على سمك الألواح، لذا كلما كانت ألواح المكثف أرق، كلما كان ذلك أفضل - نحفظ المعدن ونخفض الحجم الهندسي للمكثف.

يجب ألا تكون المسافة d صغيرة جدًا لتجنب الانهيار الكهربائي للعازل الكهربائي.
دعنا نختار المادة الأكثر شيوعًا كعازل كهربائي - getinax مع Er يساوي 6 ... 8. لنأخذ Er للمكثف الذي يساوي 7.

يتم حساب المساحة S للوحة مكثف واحدة، بشرط أن تكون الأبعاد الخطية للألواح هي نفسها. إذا كان طول إحدى اللوحات أو عرضها أقصر، فسيتم حساب مساحة اللوحة الأصغر.
جميع الأبعاد - يجب التعبير عن طول وعرض الواجهات والمسافة بينها بالأمتار. لنأخذ الأبعاد كما هو موضح في الشكل. دعونا نستبدل بياناتنا في صيغة حساب سعة المكثف: C = Er * Eo * S / d؛
ج = 7 * 8.854 * 10 -12 * 0.0025 / 0.001 = 0.000000000155F (فاراد).
لنرفع النتيجة إلى القوة 12 للحصول على قيمة السعة بالبيكوفاراد:
ج = 0.000000000155 12 = 155pF.
إن سعة المكثف 155pf التي حصلنا عليها صغيرة جدًا؛ وعادةً ما تستخدم هذه السعات في المعدات التي تعمل بترددات عالية من التيار المتردد في حدود 1 - 600 ميجاهرتز.
تخيل أننا نعمل على تطوير راديو جيب مصغر يتطلب حوالي 30 من هذه المكثفات.

إذا قمنا بتركيب 30 مكثفًا قمنا بتطويرها في دائرة، دون احتساب مكونات الراديو الضرورية الأخرى، فلن يتحول جهاز استقبال الراديو الخاص بنا إلى جهاز مصغر. بيت القصيد هو أن حجم مكثفاتنا وحده سيكون بحيث لا يمكن وصفه بأنه مقبول بأي حال من الأحوال.
حجم المكثف الواحد Vc يساوي Vc = 5cm * 5cm * 0.1cm
Vc = 2.5 سم مكعب. عندها سيكون حجم 30 مكثفًا مساويًا لـ:
ح = 30 * 2.5 = 75 سم مكعب.
ما يجب القيام به، وكيفية تقليل الحجم الهندسي للمكثف للاستخدام في أجهزة الراديو المصغرة؟ ولحل هذه المشكلة يتم تقليل المسافة بين الألواح قدر الإمكان، ثم تزداد السعة ويقل الحجم الهندسي للمكثف. ولكن يتم تقليل المسافة إلى حدود معينة، وإلا فإن المكثف سوف يخترق حتى عند الجهد المنخفض الذي يتم توفيره للمكثف. في هذا الصدد، يشار إلى الجهد الذي يمكن أن يتحمله على كل مكثف.

لتقليل مساحة الألواح، يتم تصنيع المكثف متعدد الطبقات، ويتكون من عدة مكثفات متصلة بالتوازي (تذكر صيغة التوصيل المتوازي للمكثفات).
تُستخدم الأغشية الرقيقة المصنوعة من مواد اصطناعية كمادة عازلة في المكثفات المصغرة، وتستخدم الرقائق المعدنية، المصنوعة غالبًا من الألومنيوم، كألواح.

عادة ما يشير جسم المكثف إلى نوعه وسعةه وجهد التشغيل. يتم تحديد المعلمات المتبقية للمكثف من الكتب المرجعية. يشار إلى سعة المكثف بشكل مختلف عن المخططات الكهربائية. على سبيل المثال، يتم تعيين السعة 2.2 الجبهة الوطنية 2P2، والسعة 1500 الجبهة الوطنية هي 1H5، والسعة 0.1 ميكروفاراد المعينة M1، والسعة 2.2 ميكروفاراد هي 2M2، والسعة 10 ميكروفاراد هي 10M.
مع المكثفات التقليدية KM، KD، MBM، وما إلى ذلك، من الصعب الحصول على سعة كبيرة ذات أبعاد صغيرة، لذلك، تم تطوير ما يسمى بالمكثفات الإلكتروليتية التي يتم فيها استخدام سائل إلكتروليتي خاص ذو نسبة Er عالية جدًا؛ عازل. يمكن أن تصل سعة هذه المكثفات إلى مئات الآلاف من الميكروفاراد. عيب هذه المكثفات هو جهد التشغيل المنخفض (حتى 500 فولت) والالتزام الإلزامي بالقطبية عند توصيلها بالدائرة.
لتكوين وضبط أنواع معينة من أجهزة الراديو، مثل الراديو أو التلفزيون، يتم استخدام مكثفات خاصة ذات سعة متغيرة.

اعتمادا على الغرض منها، تسمى هذه المكثفات "ضبط" و"المكثفات المتغيرة".
يتم تغيير سعة المكثفات المتغيرة والمضبوطة ميكانيكياً، وذلك عن طريق تغيير المسافة بين الألواح أو تغيير مساحة الألواح. يتم استخدام الهواء أو البورسلين كمادة عازلة في هذه المكثفات.
في الختام، تجدر الإشارة إلى أنه في الوقت الحاضر، بسبب التطور السريع للإلكترونيات الراديوية، لا يتم استخدام المكثفات المتقلبة والمتغيرة عمليا. يتم استبدالها بنجاح بمرشحات خاصة وأجهزة أشباه الموصلات التي لا تتطلب تغييرات ميكانيكية في المعلمات.

حيث ينتج المولد جهدًا جيبيًا. دعونا نلقي نظرة على ما يحدث في الدائرة عندما نغلق المفتاح. سننظر في اللحظة الأولية عندما يكون جهد المولد صفراً.

في الربع الأول من الفترة، سيزداد الجهد عند أطراف المولد، بدءًا من الصفر، وسيبدأ المكثف في الشحن. سيظهر تيار في الدائرة، ولكن في اللحظة الأولى لشحن المكثف، على الرغم من أن الجهد على لوحاته قد ظهر للتو ولا يزال صغيرًا جدًا، فإن التيار في الدائرة (تيار الشحن) سيكون الأكبر. مع زيادة شحنة المكثف، يتناقص التيار في الدائرة ويصل إلى الصفر في اللحظة التي يتم فيها شحن المكثف بالكامل. في هذه الحالة، يصبح الجهد على لوحات المكثف، بعد جهد المولد بدقة، في هذه اللحظة الحد الأقصى، ولكن العلامة المعاكسة، أي موجهة نحو جهد المولد.

أرز. 1. تغير التيار والجهد في دائرة ذات سعة

وهكذا، يندفع التيار بأقصى قوة إلى المكثف الخالي من الشحن، لكنه يبدأ على الفور في الانخفاض حيث تمتلئ ألواح المكثف بالشحنات وينخفض ​​إلى الصفر، مما يؤدي إلى شحنه بالكامل.

دعونا نقارن هذه الظاهرة بما يحدث مع تدفق الماء في أنبوب يربط بين وعاءين متصلين (الشكل 2)، أحدهما ممتلئ والآخر فارغ. على المرء فقط أن يسحب الصمام الذي يسد مسار الماء، وسوف يندفع الماء على الفور من الوعاء الأيسر تحت ضغط مرتفع عبر الأنبوب إلى الوعاء الأيمن الفارغ. ومع ذلك، على الفور، سيبدأ ضغط الماء في الأنبوب بالضعف تدريجياً، بسبب استواء المستويات في الأوعية، وسوف ينخفض ​​إلى الصفر. سوف يتوقف تدفق المياه.

أرز. 2. إن التغير في ضغط الماء في الأنبوب الذي يربط الأوعية المتصلة يشبه التغير في التيار في الدائرة أثناء شحن المكثف

وبالمثل، يتدفق التيار أولاً إلى مكثف غير مشحون، ثم يضعف تدريجيًا أثناء شحنه.

مع بداية الربع الثاني من الفترة، عندما يبدأ جهد المولد ببطء في البداية، ثم يتناقص بشكل أسرع فأسرع، سيتم تفريغ المكثف المشحون إلى المولد، مما سيؤدي إلى حدوث تيار تفريغ في الدائرة. مع انخفاض جهد المولد، يتم تفريغ المكثف أكثر فأكثر ويزداد تيار التفريغ في الدائرة. ويكون اتجاه تيار التفريغ في هذا الربع من الفترة معاكسا لاتجاه تيار الشحن في الربع الأول من الفترة. وبناء على ذلك، فإن المنحنى الحالي، بعد أن تجاوز القيمة الصفرية، يقع الآن أسفل محور الزمن.

بحلول نهاية الدورة النصفية الأولى، يقترب الجهد الكهربائي في المولد، وكذلك في المكثف، من الصفر بسرعة، ويصل التيار في الدائرة ببطء إلى قيمته القصوى. تذكر أن شدة التيار في الدائرة أكبر، وكلما زادت كمية الشحنة المنقولة على طول الدائرة، سيتضح سبب وصول التيار إلى الحد الأقصى عندما يكون الجهد على لوحات المكثف، وبالتالي شحن المكثف، يتناقص بسرعة.

مع بداية الربع الثالث من المدة، يبدأ المكثف بالشحن مرة أخرى، لكن قطبية ألواحه، وكذلك قطبية المولد، تتغير إلى العكس، ويستمر التيار بالتدفق في نفس الاتجاه ، يبدأ في الانخفاض مع شحن المكثف. في نهاية الربع الثالث من الفترة، عندما تصل الفولتية عبر المولد والمكثف إلى الحد الأقصى، يصبح التيار صفراً.

في الربع الأخير من الفترة، ينخفض ​​​​الجهد إلى الصفر، ويصل التيار، الذي يغير اتجاهه في الدائرة، إلى قيمته القصوى. وبهذا تنتهي الفترة، وبعدها تبدأ الفترة التالية، وتكرر الفترة السابقة تمامًا، وما إلى ذلك.

لذا، تحت تأثير الجهد المتردد للمولد، يتم شحن المكثف مرتين لكل فترة (الربعين الأول والثالث من الفترة) ويتم تفريغه مرتين (الربعين الثاني والرابع من الفترة).ولكن بما أن التناوب تلو الآخر يصاحبه في كل مرة مرور تيارات الشحن والتفريغ عبر الدائرة، فيمكننا أن نستنتج ذلك.

يمكنك التحقق من ذلك باستخدام التجربة البسيطة التالية. قم بتوصيل مكثف بسعة 4-6 ميكروفاراد بمصدر التيار المتردد من خلال لمبة كهربائية بقدرة 25 وات. سوف يضيء الضوء ولن ينطفئ حتى تنقطع الدائرة. يشير هذا إلى أن التيار المتردد يمر عبر الدائرة ذات السعة. ومع ذلك، فإنه يمر، بالطبع، ليس من خلال عازل المكثف، ولكن في كل لحظة من الزمن كان يمثل إما تيار الشحن، أو تيار التفريغ للمكثف.

العازل، كما نعلم، يستقطب تحت تأثير المجال الكهربائي الذي ينشأ فيه عند شحن المكثف، ويختفي استقطابه عند تفريغ المكثف.

في هذه الحالة، فإن العازل مع تيار الانحياز الناشئ فيه يعمل كنوع من استمرار الدائرة للتيار المتردد، ويكسر الدائرة للتيار المباشر. لكن تيار الإزاحة يتشكل فقط داخل عازل المكثف، وبالتالي لا يحدث من خلال نقل الشحنة عبر الدائرة.

تعتمد المقاومة التي يوفرها المكثف للتيار المتردد على قيمة سعة المكثف وتردد التيار.

كلما زادت سعة المكثف، زادت الشحنة المنقولة عبر الدائرة أثناء شحن وتفريغ المكثف، وبالتالي زاد التيار في الدائرة. تشير الزيادة في التيار في الدائرة إلى انخفاض مقاومتها.

لذلك، مع زيادة السعة، تقل مقاومة الدائرة للتيار المتردد.

تؤدي الزيادة إلى زيادة كمية الشحنة المنقولة عبر الدائرة، نظرًا لأن شحن (وكذلك تفريغ) المكثف يجب أن يحدث بشكل أسرع منه عند التردد المنخفض. وفي الوقت نفسه، فإن الزيادة في كمية الشحنة المنقولة لكل وحدة زمنية تعادل زيادة في التيار في الدائرة، وبالتالي انخفاض في مقاومتها.

إذا قمنا بطريقة أو بأخرى بتقليل تردد التيار المتردد وخفض التيار إلى ثابت، فإن مقاومة المكثف المتصل بالدائرة ستزداد تدريجياً وتصبح كبيرة بلا حدود (دائرة مفتوحة) بحلول وقت ظهورها.

لذلك، مع زيادة التردد، تقل مقاومة المكثف للتيار المتردد.

مثلما تسمى مقاومة الملف للتيار المتردد تحريضية، فإن مقاومة المكثف تسمى عادة سعوية.

هكذا، كلما كانت السعة أكبر، كلما انخفضت سعة الدائرة وتردد التيار الذي يزودها.

يتم الإشارة إلى السعة بواسطة Xc ويتم قياسها بالأوم.

يتم تحديد اعتماد السعة على التردد الحالي وسعة الدائرة بواسطة الصيغة Xc = 1/ω، حيث ω - تردد دائري يساوي منتج 2π F، C-سعة الدائرة بالفاراد.

المفاعلة السعوية، مثل المفاعلة الحثية، هي تفاعلية بطبيعتها، لأن المكثف لا يستهلك طاقة المصدر الحالي.

صيغة الدائرة ذات السعة هي I = U/Xc، حيث I وU هما القيمتان الفعالتان للتيار والجهد؛ Xc هي سعة الدائرة.

تُستخدم خاصية المكثفات لتوفير مقاومة عالية للتيارات منخفضة التردد وتمرير التيارات عالية التردد بسهولة على نطاق واسع في دوائر معدات الاتصالات.

وبمساعدة المكثفات، على سبيل المثال، يتم تحقيق فصل التيارات المباشرة والتيارات المنخفضة التردد عن التيارات عالية التردد اللازمة لتشغيل الدوائر.

إذا كان من الضروري منع مسار التيار المنخفض التردد في الجزء عالي التردد من الدائرة، يتم توصيل مكثف صغير على التوالي. إنه يوفر مقاومة كبيرة للتيار منخفض التردد وفي نفس الوقت يمرر بسهولة التيار عالي التردد.

إذا كان من الضروري منع تيار عالي التردد، على سبيل المثال، من دخول دائرة الطاقة لمحطة راديو، يتم استخدام مكثف كبير، متصل بالتوازي مع المصدر الحالي. في هذه الحالة، يمر تيار عالي التردد عبر المكثف، متجاوزًا دائرة إمداد الطاقة لمحطة الراديو.

المقاومة النشطة والمكثف في دائرة التيار المتردد

من الناحية العملية، غالبًا ما تكون هناك حالات تكون فيها الدائرة متصلة على التوالي مع سعة. يتم تحديد المقاومة الإجمالية للدائرة في هذه الحالة من خلال الصيغة

لذلك، المقاومة الإجمالية لدائرة تتكون من المقاومة النشطة والسعوية للتيار المتردد تساوي الجذر التربيعي لمجموع مربعات المقاومة النشطة والسعوية لهذه الدائرة.

يظل قانون أوم صالحًا لهذه الدائرة I = U/Z.

في التين. يوضح الشكل 3 منحنيات تميز علاقات الطور بين التيار والجهد في دائرة تحتوي على مقاومة سعوية ونشطة.

أرز. 3. التيار والجهد والطاقة في دائرة بها مكثف ومقاومة نشطة

كما يتبين من الشكل، فإن التيار في هذه الحالة يقود الجهد ليس بمقدار ربع فترة، ولكن أقل، لأن المقاومة النشطة قد انتهكت الطبيعة السعوية البحتة (التفاعلية) للدائرة، كما يتضح من المرحلة المخفضة يحول. الآن سيتم تحديد الجهد عند أطراف الدائرة كمجموع مكونين: المكون التفاعلي للجهد u c، الذي يتغلب على سعة الدائرة، والمكون النشط للجهد، الذي يتغلب على مقاومته النشطة.

كلما زادت المقاومة النشطة للدائرة، كلما كان تحول الطور أصغر بين التيار والجهد.

حصل منحنى تغير القدرة في الدائرة (انظر الشكل 3) مرتين خلال الفترة على إشارة سلبية، وهي، كما نعلم بالفعل، نتيجة للطبيعة التفاعلية للدائرة. كلما كانت الدائرة أقل تفاعلاً، كلما كان تحول الطور بين التيار والجهد أصغر، وكلما زاد استهلاك المصدر الحالي للطاقة.

>> مكثف في دائرة التيار المتردد

§ 33 مكثف في دائرة التيار المتردد

لا يمكن للتيار المباشر أن يتدفق عبر دائرة تحتوي على مكثف. في الواقع، في هذه الحالة، تبين أن الدائرة مفتوحة، حيث يتم فصل لوحات المكثف بواسطة عازل.

يمكن أن يتدفق التيار المتردد عبر دائرة تحتوي على مكثف. ويمكن التحقق من ذلك من خلال تجربة بسيطة.

دعونا نحصل على مصادر للجهود المباشرة والمتناوبة، والجهد الثابت عند أطراف المصدر يساوي القيمة الفعالة للجهد المتناوب. تتكون الدائرة من مكثف ومصباح متوهج (الشكل 4.13)، متصلين على التوالي. عندما يتم تشغيل الجهد المباشر (يتم تشغيل المفتاح إلى اليسار، يتم توصيل الدائرة بالنقاط AA")، لا يضيء المصباح. ولكن عند تشغيل الجهد المتردد (يتم تشغيل المفتاح إلى اليمين، الدائرة متصلة بالنقاط BB")، يضيء المصباح إذا كانت سعة المكثف كبيرة بدرجة كافية.

كيف يمكن أن يتدفق التيار المتردد عبر الدائرة إذا كانت مفتوحة بالفعل (لا يمكن للشحنات أن تتحرك بين ألواح المكثف)؟ الشيء هو أن المكثف يتم شحنه وتفريغه بشكل دوري تحت تأثير الجهد المتردد. يؤدي التيار المتدفق في الدائرة عند إعادة شحن المكثف إلى تسخين فتيل المصباح.

دعونا نحدد كيف تتغير قوة التيار بمرور الوقت في دائرة تحتوي على مكثف فقط، إذا كان من الممكن إهمال مقاومة أسلاك وألواح المكثف (الشكل 4.14).

جهد المكثف

القوة الحالية، وهي المشتقة الزمنية للشحنة، تساوي:

وبالتالي، فإن التقلبات الحالية تتقدم في مرحلة تقلبات الجهد عبر المكثف (الشكل 4.15).

سعة التيار هي :

أنا م = يو م ج (4.29)

إذا قمت بإدخال التعيين

وبدلا من اتساع التيار والجهد باستخدام قيمها الفعالة، نحصل على

تسمى القيمة Xc، وهي معكوس المنتج C للتردد الدوري والسعة الكهربائية للمكثف، بالسعة. ودور هذه الكمية يشبه دور المقاومة النشطة R في قانون أوم (انظر الصيغة (4.17)). ترتبط القيمة الفعالة للتيار بالقيمة الفعالة للجهد على المكثف بنفس الطريقة التي يرتبط بها التيار والجهد وفقًا لقانون أوم لقسم من دائرة التيار المستمر. هذا يسمح لنا بالنظر إلى قيمة Xc كمقاومة المكثف للتيار المتردد (السعة).

كلما زادت سعة المكثف، زاد تيار إعادة الشحن. من السهل اكتشاف ذلك من خلال زيادة توهج المصباح مع زيادة سعة المكثف. في حين أن مقاومة المكثف للتيار المباشر لا نهائية، فإن مقاومته للتيار المتردد لها قيمة محدودة X c . كلما زادت السعة تقل. كما أنه يتناقص مع زيادة وتيرة.

في الختام نلاحظ أنه خلال فترة الربع عندما يتم شحن المكثف إلى أقصى جهد له، تدخل الطاقة إلى الدائرة ويتم تخزينها في المكثف على شكل طاقة مجال كهربائي. وفي الربع التالي من الفترة، عندما يتم تفريغ المكثف، يتم إرجاع هذه الطاقة إلى الشبكة.

تتناسب مقاومة الدائرة ذات المكثف عكسيا مع حاصل ضرب التردد الدوري والسعة الكهربائية. التقلبات الحالية تسبق تقلبات الجهد في الطور بمقدار .

1. كيف ترتبط القيم الفعالة للتيار والجهد على مكثف في دائرة التيار المتردد ببعضها البعض؟
2. هل يتم إطلاق الطاقة في دائرة تحتوي على مكثف فقط إذا أمكن إهمال المقاومة النشطة للدائرة!
3. قاطع الدائرة هو نوع من المكثفات. لماذا يفتح المفتاح الدائرة بشكل موثوق!

مياكيشيف جي يا، الفيزياء. الصف الحادي عشر: تعليمي. للتعليم العام المؤسسات: الأساسية والملف الشخصي. المستويات / G. Ya Myakishev، B. V. Bukhovtsev، V. M. Charugin؛ حررت بواسطة V. I. نيكولاييفا، N. A. بارفينتييفا. - الطبعة السابعة عشرة، المنقحة. وإضافية - م: التربية، 2008. - 399 ص: مريض.

التخطيط المواضيعي للتقويم ، مهام تنزيل طلاب الصف الحادي عشر في الفيزياء ، الفيزياء وعلم الفلك عبر الإنترنت

محتوى الدرس ملاحظات الدرسدعم إطار عرض الدرس وأساليب تسريع التقنيات التفاعلية يمارس المهام والتمارين ورش عمل الاختبار الذاتي، والتدريبات، والحالات، والمهام، والواجبات المنزلية، وأسئلة المناقشة، والأسئلة البلاغية من الطلاب الرسوم التوضيحية الصوت ومقاطع الفيديو والوسائط المتعددةصور فوتوغرافية، صور، رسومات، جداول، رسوم بيانية، فكاهة، نوادر، نكت، كاريكاتير، أمثال، أقوال، كلمات متقاطعة، اقتباسات الإضافات الملخصاتالمقالات والحيل لأسرّة الأطفال الفضوليين والكتب المدرسية الأساسية والإضافية للمصطلحات الأخرى تحسين الكتب المدرسية والدروستصحيح الأخطاء في الكتاب المدرسيتحديث جزء من الكتاب المدرسي، وعناصر الابتكار في الدرس، واستبدال المعرفة القديمة بأخرى جديدة فقط للمعلمين دروس مثاليةخطة التقويم للسنة؛ توصيات منهجية؛ دروس متكاملة التفاصيل 08 مايو 2017

أيها السادة، يمكن اعتبار مقال اليوم استمرارًا للمقال السابق بطريقة ما. في البداية أردت أن أضع كل هذه المواد في مقال واحد. لكن اتضح أن العدد كان كثيرًا، وكانت هناك مشاريع جديدة في الأفق، وانتهى بي الأمر بتقسيمها إلى قسمين. لذلك، اليوم سوف نتحدث عن. سنحصل على تعبير يمكننا من خلاله حساب مقاومة أي مكثف متصل بدائرة تيار متردد، وفي نهاية المقال سننظر في عدة أمثلة لمثل هذه الحسابات.

لنتخيل أن لدينا مكثفًا متصلاً بدائرة تيار متردد. لم يعد هناك المزيد من المكونات في الدائرة، فقط مكثف واحد وهذا كل شيء (الشكل 1).

الشكل 1 - مكثف في دائرة التيار المتردد

يتم تطبيق بعض الجهد المتناوب على لوحاته ش (ر)، ويتدفق بعض التيار من خلاله هو - هي). بمعرفة واحدة، يمكنك بسهولة العثور على أخرى. للقيام بذلك، تحتاج فقط إلى تذكر المقالة السابقة حول مكثف التيار المتردد، تحدثنا هناك عن كل هذا بشيء من التفصيل. سنفترض أن التيار المار في المكثف يختلف طبقا لقانون جيبي كهذا

توصلنا في المقالة الأخيرة إلى أنه إذا تغير التيار وفقا لهذا القانون، فإن الجهد على المكثف يجب أن يتغير على النحو التالي

ولم نسجل حتى الآن أي جديد، وهذا كله تكرار حرفي لحسابات المقال السابق. والآن هو الوقت المناسب لتحويلها قليلاً، ومنحها مظهراً مختلفاً قليلاً. لنكون محددين، نحن بحاجة إلى الانتقال إلى تمثيل معقد للإشارات! هل تتذكر أنه كان هناك موضوع منفصل حول هذا؟ قلت فيه أنه من الضروري فهم بعض النقاط في مقالات أخرى. لقد حانت اللحظة التي حان الوقت لتذكر كل هذه الوحدات الخيالية الماكرة. لنكون محددين، الآن نحن بحاجة إرشاديةكتابة عدد مركب. كما نتذكر من المقال عن الأعداد المركبة في الهندسة الكهربائية، إذا كان لدينا إشارة جيبية من النموذج

ومن ثم يمكن تمثيله بالشكل الأسي مثل هذا

لماذا هذا، من أين جاء، ما تعنيه الرسالة هنا - لقد تمت مناقشة كل شيء بالتفصيل بالفعل. للتكرار، يمكنك اتباع الرابط وقراءة كل شيء مرة أخرى.

دعونا الآن نطبق هذا التمثيل المعقد على صيغة جهد المكثف. سوف نحصل على شيء من هذا القبيل

الآن، أيها السادة، أود أن أخبركم عن نقطة أخرى مثيرة للاهتمام، والتي ربما كان ينبغي وصفها في مقال عن الأعداد المركبة في الهندسة الكهربائية. ومع ذلك، لقد نسيت الأمر بطريقة ما في ذلك الوقت، لذا دعونا ننظر إليه الآن. دعونا نتخيل ذلك ر = 0. سيؤدي ذلك إلى استبعاد الوقت والتكرار من الحسابات، وننتقل إلى ما يسمى السعات المعقدةالإشارة. وبطبيعة الحال، هذا لا يعني أن الإشارة تتغير من متغير إلى ثابت. لا، فهو يستمر في التغير في الاتجاه الجيبي بنفس التردد. ولكن هناك أوقات لا يكون فيها التردد مهمًا جدًا بالنسبة لنا، ومن ثم فمن الأفضل التخلص منه والعمل فقط مع السعةالإشارة. الآن هي مجرد لحظة من هذا القبيل. لذلك نحن نؤمن ر = 0ونحصل سعة الجهد المعقدة

دعونا نفتح الأقواس الموجودة في الأس ونستخدم قواعد التعامل مع الدوال الأسية.

لذلك لدينا ثلاثة عوامل. سنتعامل مع كل شيء بالترتيب. دعونا نجمع بين الأولين ونكتب التعبير التالي

ماذا كتبنا حتى؟ يمين، السعة الحالية المعقدةمن خلال مكثف. الآن يأخذ التعبير عن سعة الجهد المعقد الشكل

والنتيجة التي نسعى جاهدين لتحقيقها قريبة بالفعل، ولكن لا يزال هناك عامل أسي آخر غير لطيف للغاية. ماذا تفعل معه؟ واتضح أن الأمر بسيط للغاية. ومرة أخرى المقال حول الأعداد المركبة في الهندسة الكهربائيةليس من أجل لا شيء أنني كتبت ذلك. دعونا نحول هذا العامل باستخدام صيغة أويلر:

نعم، كل هذا الأس الصعب مع الأعداد المركبة في الأس يتحول إلى مجرد رقم وهمي، يسبقه علامة ناقص. أوافق على أنه قد لا يكون من السهل تحقيق ذلك، ولكن مع ذلك، تقول الرياضيات أن الأمر كذلك. ومن ثم، فإن الصيغة الناتجة تأخذ الصورة

دعونا نعبر عن التيار من هذه الصيغة ونحول التعبير إلى شكل يتوافق مع قانون أوم. نحن نحصل

كما نتذكر من مقالات عن قانون أوم، في حالتنا كان التيار يساوي الجهد مقسومًا على المقاومة. لذلك، هو نفسه تقريبا هنا! حسنًا، باستثناء أن التيار والجهد متغيران ويتم تمثيلهما بسعات معقدة. بالإضافة إلى ذلك، لا تنس أن التيار يتدفق عبر المكثف. لذلك، يمكن اعتبار التعبير الذي يظهر في المقام بالسعة مقاومة مكثف التيار المتردد:

نعم، التعبير عن مقاومة المكثف يبدو هكذا. فإنه، كما ترون، شامل. الرسالة تشير إلى ذلك يفي مقام الكسر. ماذا يعني هذا التعقيد؟ ماذا يؤثر وماذا يظهر؟ وهي تظهر أيها السادة حصريا مرحلة التحول عند 90 درجةبين التيار والجهد عبر المكثف. أي أن التيار يسبق الجهد بـ 90 درجة. وهذا الاستنتاج ليس جديدا بالنسبة لنا؛ كل هذا تم وصفه بالتفصيل في المقالة السابقة. لكي نفهم هذا بشكل أفضل، يجب علينا الآن أن ننتقل ذهنيًا من الصيغة الناتجة إلى اللحظة التي نحصل فيها عليها ينشأت. أثناء الصعود، سترى أن الوحدة وهمية ينشأت من صيغة أويلر بسبب وجود مكون. نشأت صيغة أويلر لدينا من تمثيل معقد للجيبية. وفي الشكل الجيبي الأصلي كان هناك على وجه التحديد تحول طور قدره 90 درجة من التيار بالنسبة للجهد. شيء من هذا القبيل. يبدو أن كل شيء منطقي ولم ينشأ أي شيء غير ضروري.

الآن قد يطرح سؤالان منطقيان تمامًا: كيفية العمل مع مثل هذا التمثيل وما هي فوائده؟ وبشكل عام، لا يوجد حتى الآن سوى بعض الحروف المجردة وليس من الواضح على الإطلاق كيفية أخذ وتقييم مقاومة مكثف معين اشتريناه من متجر وقمنا بتوصيله بالدائرة. دعونا معرفة ذلك تدريجيا.

كما قلنا بالفعل، الرسالة يفي المقام يخبرنا فقط عن تحول الطور للتيار والجهد. لكنه لا يؤثر على سعة التيار والجهد. وبناء على ذلك، إذا نحن لسنا مهتمين في مرحلة التحولإذن يمكننا أن نستبعد هذه الرسالة من الاعتبار ونحصل على تعبير أبسط على الإطلاق دون أي تعقيد:

ماذا يمكننا أن نقول من خلال النظر إلى هذه الصيغة؟ على سبيل المثال ماذا كلما زاد تردد الإشارة، انخفضت مقاومة المكثف لها. وكلما زادت سعة المكثف، قلت مقاومته للتيار المتردد.

قياسا على المقاومات، لا تزال مقاومة المكثفات تقاس بالأوم. ومع ذلك، يجب أن تتذكر دائمًا أن هذه مقاومة مختلفة قليلاً، وتسمى رد الفعل. والأمر مختلف في المقام الأول بسبب ذلك سيئ السمعة يفي المقام، أي بسبب تحول الطور. "العاديون" (المسمون نشيط) أوم لا يوجد مثل هذا التحول؛ حيث أن الجهد يتوافق بشكل واضح مع التيار. دعونا نرسم رسمًا بيانيًا لمقاومة المكثف مقابل التردد. لنكون محددين، لنعتبر سعة المكثف ثابتة، على سبيل المثال، 1 μF. ويرد الرسم البياني في الشكل 2.

الشكل 2 (قابل للنقر) - اعتماد مقاومة المكثف على التردد

في الشكل 2 نرى أن مقاومة المكثف للتيار المتردد تتناقص وفقا لقانون القطع الزائد.

في التردد يميل إلى الصفر(أي في الواقع، عندما يميل التيار المتردد إلى التوجيه)، فإن مقاومة المكثف تميل إلى ما لا نهاية. هذا أمر منطقي: نتذكر جميعًا أنه بالنسبة للتيار المباشر، فإن المكثف هو في الواقع دائرة مفتوحة. من الناحية العملية، فهي بالطبع ليست لا نهائية، ولكنها محدودة بمقاومة التسرب للمكثف. ومع ذلك، فهي لا تزال كبيرة جدًا وغالبًا ما تعتبر كبيرة بلا حدود.

هناك مسألة أخرى أود مناقشتها قبل البدء في إلقاء نظرة على الأمثلة. لماذا تكتب رسالة على الإطلاق؟ يفي قاسم المقاومة؟ ألا يكفي أن نتذكر دائمًا تحول الطور، وأن نستخدم الأرقام دون هذه الوحدة الوهمية في التسجيل؟ اتضح لا. لنتخيل دائرة بها مقاومة ومكثف في نفس الوقت. لنفترض أنهم متصلون في السلسلة. وهذا هو المكان الذي لن تسمح لك فيه الوحدة التخيلية المجاورة للسعة بجمع المفاعلة والمفاعلة في رقم حقيقي واحد. ستكون المقاومة الإجمالية لهذه السلسلة معقدة، وتتكون من جزء حقيقي وجزء وهمي. الجزء الحقيقي سيكون بسبب المقاومة (المقاومة النشطة)، والجزء التخيلي سيكون بسبب السعة (المفاعلة). ولكن هذا كله موضوع لمقال آخر، ولن نخوض فيه الآن. دعنا ننتقل إلى الأمثلة.

دعونا نحصل على مكثف بسعة، على سبيل المثال، ج = 1 ميكروفاراد. مطلوب تحديد مقاومته عند التردد و 1 = 50 هرتزوعلى التردد و 2 = 1 كيلو هرتز. وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي تحديد سعة التيار، مع الأخذ في الاعتبار أن سعة الجهد المطبق على المكثف تساوي يو م = 50 فولت. حسنًا، قم بإنشاء رسوم بيانية للجهد والتيار.

في الواقع، هذه المهمة أساسية. نعوض بالأرقام في صيغة المقاومة ونحصل على التردد و 1 = 50 هرتزمقاومة تساوي

وبالنسبة للتردد و 2 = 1 كيلو هرتزستكون هناك مقاومة

باستخدام قانون أوم، نجد سعة التيار للتردد و 1 = 50 هرتز

وكذلك بالنسبة للتردد الثاني و 2 = 1 كيلو هرتز

الآن يمكننا بسهولة كتابة قوانين التغير في التيار والجهد، وكذلك رسم الرسوم البيانية لهاتين الحالتين. نحن نعتقد أن الجهد يتغير وفقًا لقانون الجيب للتردد الأول و 1 = 50 هرتزبالطريقة الآتية

وبالنسبة للتردد الثاني و 2 = 1 كيلو هرتزمثله

وبالنسبة للتردد و 2 = 1 كيلو هرتز

و 1 = 50 هرتزوترد في الشكل 3

الشكل 3 (قابل للنقر) - الجهد الكهربي على المكثف والتيار عبر المكثف، f 1 = 50 هرتز

الرسوم البيانية الحالية والجهد للتردد و 2 = 1 كجموترد نهاية الخبر في الشكل 4

الشكل 4 (قابل للنقر) - الجهد الكهربي على المكثف والتيار عبر المكثف، f 2 = 1 كيلو هرتز

لذا أيها السادة، تعرفنا اليوم على مفهوم مثل مقاومة المكثف للتيار المتردد، وتعلمنا حسابه وعززنا المعرفة المكتسبة بمثالين. هذا كل شيء لهذا اليوم. شكرا للقراءة، حظا سعيدا للجميع وداعا!

انضم الينا

نواصل دراسة الإلكترونيات، وبعد ذلك لدينا تحليل لكيفية تصرف المكثف في دائرة التيار المتردد والتيار المباشر، وما هو المطلوب له، بالإضافة إلى العديد من الأمثلة للتطبيق العملي.

المكثف هو عنصر سلبي في الدائرة الإلكترونية يتكون من لوحين موصلين، مفصولين بنوع من المواد العازلة.

الخصائص والوظائف المنفذة

تتمثل المهمة الرئيسية للمكثف في تجميع كمية معينة من الشحنة الكهروستاتيكية على الألواح بعد توصيلها بدائرة حية. عند فصل الطاقة، يحتفظ المكثف بالشحنة الناتجة.

• إذا كان المكثف متصلاً بدائرة مغلقة، ولكن بدون طاقة، أو كان الجهد فيه أقل مما يتراكم في المكثف، فسيحدث تفريغ كامل أو جزئي للعنصر، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة المتراكمة.

• دعونا نقدم على الفور مفهوم السعة. بكلمات بسيطة، هذه هي كمية الطاقة الكهربائية التي يمكن أن يتراكمها عنصر متصل بالشبكة. يُشار إلى هذه المعلمة بالحرف اللاتيني "C"، ويتم قياسها بالفاراد (F).

ومن المثير للاهتمام أن نعرف! مكثفات التيار المتردد عالية السعة قادرة على إنشاء نبضات قوية جدًا عند تفريغها بسرعة. ويمكن استخدامها، على سبيل المثال، في ومضات الصور القوية.

• يتم حساب السعة باستخدام الصيغة التالية: C=q/U، حيث q هي الشحنة على لوح واحد بالكولوم (كمية الطاقة التي تمر عبر الموصل في ثانية واحدة عند تيار قدره 1 أمبير)؛ و U - الجهد بالفولت بين القذائف.

• يحتوي جسم أي مكثف على بيانات حول معلماته الرئيسية، بما في ذلك السعة. في الصورة أعلاه تم تمييزه باللون الأحمر، وهذا هو التعيين. هناك يمكنك أيضًا معرفة جهد التشغيل ودرجة الحرارة.
• كل شيء بسيط، ولكن تجدر الإشارة إلى أن القدرة المشار إليها اسمية، في حين أن قيمتها الفعلية يمكن أن تختلف بشكل كبير، والتي تتأثر بالعديد من العوامل.
• يمكن أن تختلف سعة المكثف من وحدات بيكوفاراد إلى عشرات الفاراد، وهذا يعتمد على مساحة القطب (عادة رقائق الألومنيوم).

ومن المثير للاهتمام أن نعرف! لزيادة القدرة المفيدة، يتم لف الرقاقة على شكل لفات - لذلك يتم الحصول على المكثفات الأسطوانية.

إذا كانت الدائرة تتطلب سعة مكثف كبيرة، فسيتم توصيلها على التوازي. في هذه الحالة، يتم الحفاظ على جهد التشغيل، ولكن السعة ستزداد بنسبة مباشرة، أي أنها ستكون مجموع سعات المكثفات المتصلة.

إذا كانت المكثفات متصلة على التوالي، فلن تتغير السعة؛ وبشكل أكثر دقة، ستكون أقل بقليل من الحد الأدنى للسعة المدرجة في الدائرة. لماذا هناك حاجة لمثل هذا الاتصال؟ مع ذلك، يتم تقليل احتمال انهيار أحد المكثفات إلى الحد الأدنى، أي أنها تقوم بتوزيع الحمل.

• تتميز المكثفات أيضًا بمعلمة مثل السعة المحددة. هذه هي النسبة المباشرة لسعة الجزء الكهربائي إلى كتلة أو حجم العازل الكهربائي. يمكن تحقيق الحد الأقصى لقيم هذه المعلمة باستخدام أصغر سمك للفاصل العازل، ومع ذلك، لتفكيك مثل هذا المكثف، يلزم وجود جهد أقل، وهو ما سنتحدث عنه الآن.
• تشير علامة الجزء أيضًا إلى تصنيف الجهد. كل شيء هنا بسيط للغاية - تُظهر هذه القيمة الحد الأقصى لمستوى الجهد في الدائرة، حيث يمكن للمكون الراديوي أن يعمل طوال فترة خدمته دون تغيير المعلمات المحددة بشكل كبير.
• ومن هنا الاستنتاج البسيط - يجب ألا يتجاوز الجهد الموجود على المكثف القيمة الاسمية، وإلا فإنه قد يخترق.
• يتأثر مستوى الجهد المقنن بالمواد التي يتم تجميع المكثف منها.

مفهوم قطبية المكثفات وأعطالها

ومن المثير للاهتمام أن نعرف! بالنسبة للعديد من أنواع المكثفات، سينخفض ​​الجهد المسموح به مع ارتفاع درجة حرارته، لذلك تتم الإشارة أيضًا إلى درجة حرارة التشغيل القصوى على علب المنتج.

فشل المكثفات هو فشل شائع جدًا في الهندسة الكهربائية. يمكن أن "يموتوا" بهدوء، ببساطة عن طريق التورم، أو تحت مدفع انفجار قوي، مما يؤدي إلى إغراق جميع الأجزاء المجاورة بالكهرباء، تحت "دخان المسرح" وغيرها من التأثيرات.

ولهذا السبب يمكن تشخيص فشل هذا العنصر بصريًا بحتًا، دون استخدام معدات الاختبار، ولكن ليس دائمًا.

العديد من المكثفات الإلكتروليتية (مع عازل أكسيد) ، نظرًا لخصائص التفاعل بين العازل والكهارل ، تكون قادرة على العمل فقط في حالة ملاحظة قطبية معينة ، كما هو موضح من خلال العلامة المقابلة على جسم الجزء.

• عند محاولة توصيلها بدائرة ذات قطبية عكسية، عادةً ما تفشل المكثفات على الفور - يتم تدمير العازل الكهربائي، ويغلي المنحل بالكهرباء، مما يؤدي إلى نفس الانفجار.
• تنفجر المكثفات في كثير من الأحيان، وخاصة في الأجهزة النبضية. يحدث هذا بسبب ارتفاع درجة الحرارة أو التسرب أو زيادة المقاومة المتسلسلة المكافئة مع تقدم عمر الجزء.
• ليس سرا أنه يمكن استبدال الجزء التالف في أي دائرة بجزء جديد، وسيعمل الجهاز كما كان من قبل، ومع ذلك، فإن عواقب الانفجار يمكن أن تكون خطيرة للغاية - سوف تتضرر العناصر المجاورة، الأمر الذي سيؤدي إلى تعقيد كبير إصلاح، بالإضافة إلى أن سعره سيرتفع.

لتقليل العواقب، يتم تثبيت صمام على علب المكثفات ذات السعة الكبيرة أو يتم عمل شق في النهاية على شكل الحروف "X، K، وT". نادرًا ما تنفجر هذه المكثفات نظرًا لحقيقة أن الصمام أو الغلاف المنهار على طول الشق يطلق المنحل بالكهرباء على شكل أبخرة كاوية، أي أن الضغط داخل الغلاف ينخفض.

معلمات أخرى

بالإضافة إلى المعلمات التي ناقشناها بالفعل، فإن المكثفات لديها محاثة ومقاومتها الخاصة، لذلك يمكن تمثيل دائرة المكثف الحقيقي على النحو التالي.

وتشمل هذه (المشار إليها كما في الرسم البياني أعلاه):

أنواع المكثفات

يتم تصنيف المكثفات، في المقام الأول، حسب نوع العازل الكهربائي المستخدم فيها، والذي يحدد جميع المعلمات الكهربائية للعنصر.

• المكثفات فراغ- هيكلها بحيث توجد عدة أسطوانات متحدة المحور، مدمجة في واحدة، في أسطوانة زجاجية خارجية. تتميز هذه الأجهزة بأعلى قوة لكل وحدة حجم.

• مكثفات الهواء أو الغاز– هناك قدرات ثابتة ومتغيرة. يتم استخدامها بشكل رئيسي في أجهزة القياس الكهربائية وأجهزة الاستقبال وأجهزة الإرسال الراديوية، لأنها تسمح لك بتكوين الدوائر التذبذبية.
• المكثفات مع عازل السائل.

• المكثفات ذات العوازل الصلبة غير العضوية- وتشمل هذه النماذج على المينا الزجاجية، والسيراميك الزجاجي، والأغشية الزجاجية، والميكا، والسيراميك، وما إلى ذلك. وتتميز هذه المكثفات بسعة كبيرة جداً، على الرغم من أبعادها المتواضعة.

• المكثفات ذات العوازل العضوية الصلبة- هنا التنوع رائع أيضًا: الورق والمعدن والأفلام والمدمجة.

• بشكل منفصل، يمكننا التمييز بين المكثفات كهربائيا وأشباه الموصلات أكسيدلأنها تتميز بسعة محددة كبيرة. يستخدمون طبقة أكسيد حول أنود معدني كمادة عازلة. اللوحة الثانية فيه إما إلكتروليت في الحالة الأولى، أو شبه موصل في الحالة الثانية. يمكن تصنيع الأنود، اعتمادًا على المكثف، من التنتالوم أو النيوبيوم أو رقائق الألومنيوم، بالإضافة إلى المسحوق الملبد.

هذا التصنيف ليس الوحيد ويميز بين المكثفات وتغيير سعتها إن أمكن:

• المكثفات الثابتة هي المكثفات التي تكون سعتها ثابتة طوال فترة خدمتها، دون احتساب التغيرات المرتبطة بشيخوخة الجزء.

• المتغيرات – هذا النوع قادر على تغيير طاقته أثناء تشغيل الجهاز. يتم التحكم في هذه المكثفات من خلال الميكانيكا والجهد الكهربائي ودرجة الحرارة.

• التشذيب - يمكن أيضًا أن تتغير سعة هذه المكثفات، لكن هذا لا يحدث أثناء تشغيل الجهاز، ولكن لمرة واحدة، أثناء التثبيت أو التكوين. يتم استخدامها بشكل أساسي لتسوية السعات الأولية لدوائر التزاوج، وكذلك لضبط معلمات دوائر الدائرة.

تطبيق المكثفات

في ختام الجزء الأول من المقال، لا يسعنا إلا أن نلفت الانتباه إلى مجالات تطبيق هذه العناصر من الدوائر الكهربائية. ويتم استخدامها في كل مكان.

• يتم دمجها مع ملفات حث ومقاومات لإنتاج دوائر تعتمد فيها خصائص التيار على تردده، مثل مرشح التردد أو دائرة التغذية المرتدة للخزان.
• في الأنظمة التي تتطلب إنشاء نبض قوي، والتي ذكرناها بالفعل اليوم - ومضات الكاميرا، وأشعة الليزر النبضية، ومولدات ماركس، وما إلى ذلك.
• تُستخدم المكثفات أيضًا كعناصر ذاكرة، حيث إنها قادرة على الاحتفاظ بالشحن لفترة طويلة. يتم استخدام نفس الخاصية في الأجهزة المصممة لتخزين الطاقة.
• إذا كنا نتحدث عن الهندسة الكهربائية على المستوى الصناعي، يتم استخدام المكثفات لتعويض القدرة التفاعلية وكمرشحات للتوافقيات الأعلى.

وهذا ليس كل المجالات، ولكننا نعتقد أن هذا يكفي في الوقت الحالي. من الأفضل أن ننتقل إلى التجارب ونرى ماذا يحدث للتيار عندما يمر عبر مكثف.

المكثفات في دوائر التيار الكهربائي

إذن، نحن نفهم تقريبًا ما هو المكثف، لكننا لم نتوصل بعد إلى معرفة كيفية عمل هذا العنصر.

دائرة العاصمة

بكلمات بسيطة، المكثف، أو "الكوندر"، كما يطلق عليه شعبيا، هو عنصر صغير، مثل البطارية، قادر على تجميع شحنة معينة، والتي تكون جاهزة لتفريغها في غضون ثوان

ومن المثير للاهتمام أن نعرف! على عكس البطارية، لا يوجد مصدر للمجالات الكهرومغناطيسية في المكثف.

لكي يفرغ الموصل، فإنه يحتاج إلى إغلاق نقاط الاتصال مباشرة أو من خلال الدائرة. يبدو أن كل شيء واضح، ولكن كيف يتدفق التيار في المكثف عند توصيله بالشبكة؟

• لنبدأ بالتيار المباشر ونجري تجربة صغيرة. للقيام بذلك، نحتاج إلى المكثف نفسه، ومصدر تيار مستمر بجهد 12 فولت، ومصباح كهربائي مزود بأسلاك، أيضًا بجهد 12 فولت.

• نربط كل هذا معًا، كما هو موضح في الصورة أعلاه، ونرى أنه لا يحدث شيء - الضوء لا يضيء.

• نقوم بتغيير موضع "التمساح" للسماح للتيار بتجاوز المكثف. وها هوذا! جاء الضوء! لماذا يحدث هذا؟
• الأمر بسيط، فقط تذكر أن التيار يتدفق عبر المكثف فقط أثناء الشحن والتفريغ، وسيتخلف الجهد دائمًا عن التيار.
• يشبه المكثف المفرغ دائرة كهربائية قصيرة في الدائرة - عندما يكون متصلاً بمصدر جهد، في اللحظة الأولى من الزمن لا يوجد جهد فيه، ولكن يوجد تيار، وهو في هذه اللحظة هو الحد الأقصى ( هذا هو التأخر).
• يتدفق التيار عبر المكثف، ويبدأ في تجميع الشحنات، مما يزيد من جهده الداخلي حتى يساوي جهد مصدر الطاقة ويملأ المكثف كامل سعته.
• في هذه اللحظة، يتوقف التيار عن التدفق، وبما أن المكثف لا يمكن تفريغه، فإن المصباح الكهربائي لن يضيء.
• يمكن مقارنة هذه العملية بنظام مائي على شكل وعاء متصل، مفصول بصمام، جزء واحد فارغ والآخر ممتلئ. قم بإزالة العائق، وسوف يتدفق الماء إلى الوعاء الثاني حتى تتساوى الضغوط، أي ينخفض ​​الضغط إلى الصفر.
• ماذا سيحدث إذا تم فصل المكثف عن الدائرة وقصره؟ نعم، كل شيء هو نفسه! في اللحظة الأولى من الزمن، سيكون التيار هو الحد الأقصى عند جهد ثابت. سوف يستمر التيار للأمام، وسيتبعه الجهد، حتى تنتهي الشحنة بأكملها.
• مرة أخرى، على سبيل المثال، نأخذ نظام مياه يتكون من خزان ممتلئ، والذي سيكون بمثابة مكثف، وصنبور عليه، يمكن من خلاله تصريف المياه. نفتح الصنبور ونرى أن الماء يتدفق على الفور، بينما ينخفض ​​​​الضغط (الجهد) بسلاسة مع إفراغ الحاوية.

نفس الأنماط هي سمة من سمات التيار الجيبي، والتي سنتحدث عنها الآن.

دائرة التيار المتردد

دعونا أولاً نجري بعض التجارب، ثم نشرحها بلغة بسيطة.

سنحتاج إلى: مكثف بسعة 1 ميكروفاراد، ومقاوم عادي 100 أوم ومولد تردد. نحن نربط كل شيء، كما هو موضح في الصورة التالية.

بعد ذلك، وفقًا للرسم التخطيطي، نقوم بتوصيل راسم الذبذبات الرقمي، والذي سيعمل في وضع ثنائي القناة من أجل رؤية الإشارات عند الإدخال والإخراج: القناة الأولى (الحمراء) هي ما ينتجه المولد، والثانية (الصفراء) ) هو ما تتم إزالته من الحمل، أي من المقاوم.

• لقد رأينا بالفعل أن المكثف لا يسمح للتيار المباشر (التيار بتردد صفر) بالمرور. ماذا يحدث إذا قمت بتطبيق تردد 100 هرتز؟

• يتم تغذية إشارة من المولد بسعة 2 فولت وتردد 100 هرتز. وفي القناة الثانية نرى نفس التردد، ولكن بسعة أقل بكثير تبلغ 136 مللي فولت. في هذه الحالة، يتم تشويه الإشارة بسبب التداخل الذي يتم التقاطه من الفضاء المحيط.
• انتقل الرسم البياني الأصفر إلى اليسار، قبل الرسم البياني الأحمر. أمامك نفس مرحلة التحول.

نصيحة! هنا يجدر بنا أن نفهم أن المرحلة المقبلة هي فقط، وليس الإشارة. وإلا لكان أمامنا آلة زمن بسيطة، وكل شيء سيكون في حدود الفهم.

• أي أننا نعني الفرق بين المراحل الأولية للجهود التي لها نفس التردد.

• الآن دعونا نزيد التردد إلى 500 هرتز. نرى أن سعة الإشارة زادت إلى 560 مللي فولت، وأصبح تحول الطور أصغر.

• نزيد التردد إلى 2 كيلو هرتز - يستمر الاتجاه.

• الآن قمنا بضبط التردد على 10 كيلو هرتز، ونرى أن السعة متساوية تقريبًا، وأن تحول الطور غير ملحوظ تقريبًا.

• قمنا بتعيين الحد الأقصى للتردد على المولد ونرى أن مؤشرات القناة متساوية تقريبًا.

ماذا يعني كل هذا؟ كلما زاد التردد، انخفضت مقاومة المكثف في دائرة التيار المتردد. وفي الوقت نفسه، يختفي تحول الطور أيضًا.

ومن المثير للاهتمام أن نعرف! عند توصيل تيار مباشر، تردده صفر، يكون تحول الطور π/2 أو 90 درجة.

ولكن هل التردد هو الوحيد الذي يؤثر على مقاومة المكثفات في دائرة التيار المتردد؟ دعونا نكرر تجربتنا، ولكن باستخدام مكثف ذو سعة أصغر، مثلاً 0.1 ميكروفاراد.

• نبدأ، كما في المرة السابقة، بتردد 100 هرتز. ومن الملاحظ على الفور أن السعة قد انخفضت إلى 101 مللي فولت، بينما كانت في السابق 136.

• السعة لا تزال أصغر.

• عند الترددات القصوى، تكون المقاومة منخفضة بالفعل، ولكن يبقى تحول الطور والسعة المنخفضة.

نحن نستخلص استنتاجات بسيطة ونفهم أن مقاومة المكثف تعتمد أيضًا على سعته - فكلما زاد حجمه، انخفضت المقاومة.

في محاولة للإجابة على سؤال كيفية حساب مقاومة المكثف للتيار المتردد، استنتج علماء الرياضيات والفيزياء الصيغة التالية:

ضع التردد يساوي صفرًا في هذه الصيغة وستحصل على مقاومة لا نهائية. من الناحية العملية، لدينا مرشح حقيقي للتمرير العالي - قم بلحام مكثف أمام مكبر الصوت وسوف تسمعه يعيد إنتاج الترددات العالية فقط. من السهل تثبيت مثل هذا المرشح بيديك - التعليمات مطلوبة فقط عند حساب معلمات المقاومة.

حسنًا، ماذا يحدث داخل المكثف نفسه في هذه اللحظة؟

نتذكر أن هناك تيارًا جيبيًا. يتكون هذا التيار من فترة متكررة، النصف الأول منها يتدفق في اتجاه واحد، والثاني في الاتجاه المعاكس. وتنقسم الفترات إلى أنصاف دورات، كل منها لها مراحل زيادة الجهد، وذروته، وتناقصه.

• لذلك، قمنا بالفعل بتحليل فترة الربع الأول باستخدام التيار المباشر كمثال - يتم شحن المكثف حتى يصل جهده إلى قيمة الذروة.
• في بداية فترة الربع الثاني، يبدأ الجهد الكهربائي على المولد في الانخفاض، ويتسارع. يؤدي فرق الجهد الناتج إلى تفريغ المكثف، مما يعطي تيارًا في اتجاه المولد، أي في الاتجاه المعاكس لما يتدفق أثناء الشحن - فهو يوفر المقاومة.
• في اللحظة التي تنتهي فيها الدورة النصفية الأولى، يصبح الجهد في الدائرة والمكثف صفراً، بينما يصبح التيار، على العكس من ذلك، الحد الأقصى (قمنا بتحليل هذا الاعتماد أعلاه).
• يبدأ الربع الثالث، ويتم شحن المكثف مرة أخرى، فقط في قطبية عكسية. في هذه الحالة، يستمر التيار بالتدفق في نفس الاتجاه، ويبدأ في الانخفاض مع زيادة الجهد داخل المكثف.
• الربع الرابع مشابه للربع الثاني - يتم تفريغ المكثف ويتدفق التيار في الاتجاه المعاكس. وهذا يعني أن الدورتين النصفيتين عبارة عن نسختين متطابقتين من بعضهما البعض.

ونتيجة لذلك، لدينا أنه في فترة واحدة يتمكن المكثف من الشحن والتفريغ مرتين، مما يدل على مرور تيارات الشحن والتفريغ بشكل مستمر في الدائرة، أي أن التيار هنا متغير.

لو استخدمنا مصباحًا كهربائيًا بدلًا من المقاومة في تجربتنا، لرأينا توهجه. ومع ذلك، فإن التيار الذي يغذيه سيكون تيار شحن وتفريغ، ولا يمر عبر عازل المكثف.

كلما زادت سعة المكثف، كلما زادت الشحنة المنقولة إلى الدائرة أثناء دورات الشحن والتفريغ لهذا العنصر، وبالتالي تصبح المقاومة أقل. وزيادة التردد تعطي نفس التأثير، ولكن بسبب كمية الشحنة المنقولة في نفس الوقت، ولهذا السبب يزداد التيار أيضًا. إنه مثل اثنين من رجال الأعمال - يحصل أحدهما على دخل من خلال عمل هامش كبير عن طريق بيع عنصر لمرة واحدة، والثاني لديه نفس الشيء، ولكن بسبب حجم مبيعات أكبر مع هامش ربح أصغر.

وبسبب هذه العلاقة البسيطة، تسمى المقاومة التي يوفرها المكثف للتيار في الدائرة بالسعة.

ربما سننتهي هنا. لقد شرحنا بشكل شائع ما هي الدائرة الكهربائية المتناوبة ذات المكثف الحقيقي. نعم، ليس من السهل إتقان المادة، ولكن إذا فهمتها، فهي ليست مخيفة جدًا. بالإضافة إلى ذلك، تأكد من مشاهدة الفيديو الذي اخترناه للإجابة بشكل كامل على جميع الأسئلة المحتملة.