العلوم الفيزيائية: المكثفة (المكثف) – شحن وتفريغ المكثفة – 1 ثانوي (شعب علمية) – بكالوريا – المنهاج الجزائري

المكثفة (المكثف): شحن وتفريغ المكثفة

المكثفة (Condensateur) هي عنصر الكتروني يستخدم لتخزين الطاقة الكهربائية على شكل مجال كهربائي. تتكون من موصلين متقابلين بينهما عازل.

اولا: تركيب المكثفة ورمزها

تتكون المكثفة من لوحين معدنيين (صفيحتين) بينهما مادة عازلة (هواء، ورق، سيراميك، المنيوم مؤكسد…).

سعة المكثفة (Capacite): ترمز لها بالحرف C وتقاس بوحدة الفاراد (F).
الوحدات العملية: الميكروفاراد μF = 10⁻⁶ F، البيكوفاراد pF = 10⁻¹² F

العلاقة: C = Q / U
حيث: Q الشحنة (بالكولوم)، U التوتر (بالفولط)

ثانيا: شحن المكثفة

نربط المكثفة بمولد توتر مستمر عبر مقاومة R. عند غلق الدارة:

• يمر تيار في الدارة (تدفق الالكترونات نحو احد اللوحين)
• يرتفع التوتر بين طرفي المكثفة تدريجيا
• تتناقص شدة التيار تدريجيا
• بعد فترة، يصبح توتر المكثفة مساويا لتوتر المولد ويتوقف التيار

ثابت الزمن: τ = R x C (ثانية)
بعد زمن τ، تصل المكثفة الى 63% من شحنها النهائي. بعد 5τ، تعتبر مشحونة بشكل شبه تام (99%).

ثالثا: تفريغ المكثفة

نفصل المكثفة عن المولد ونربطها بمقاومة R فقط:

• يفرغ اللوح المشحون شحنته عبر المقاومة
• ينقص التوتر بين طرفي المكثفة تدريجيا
• يمر تيار في اتجاه معاكس لتيار الشحن
• بعد 5τ تقريبا، تصبح المكثفة فارغة تماما (U = 0)

مثال محلول:

مكثفة سعتها C = 100 μF مربوطة بمقاومة R = 10 kΩ. احسب ثابت الزمن τ.

الحل: τ = R x C = 10,000 x 100 x 10⁻⁶ = 1 ثانية

تمارين تطبيقية

التمرين 1:

مكثفة سعتها 47 μF مربوطة بمقاومة 2.2 kΩ. احسب τ وكم من الوقت تحتاج لتشحن بالكامل؟

التمرين 2:

مكثفة مشحونة تحت توتر 12 V سعتها 1000 μF. احسب الشحنة المخزنة فيها.

التمرين 3:

ما هي وظيفة المكثفة في الدارة الكهربائية؟ اذكر تطبيقين.

التمرين 4:

قارن بين سلوك المكثفة والمقاومة في دارة التيار المستمر.

للاستزادة، راجع درس التيار الكهربائي المستمر: مفاهيم أساسية وكذلك درس القدرة الكهربائية والطاقة الكهربائية.