المكثف الكيميائي :
كثر الحديث في الآونة الأخيرة في المنتدى عن المكثف الكيميائي .. و ما يتعلق فيه من سر السعة الكبيرة التي يملكها رغم حجمه الصغير و خصائص القطبية التي يملكها بحيث أنه يتخرب و قد ينفجر عند تطبيق قطبية عكسية عليه ..
و الحقيقة أن من يسأل عن هذا الأمر معه كل الحق .. فالعملية ليست بهذه البساطة التي قد تبدو للوهلة الأولى .. و هذا السؤال هام للغاية لذلك رأيت أن أشرح هذه التقنية قدر المستطاع .من المعلوم أن المكثف بشكل عام عبارة عن صفائح ناقلة مستطيلة الشكل يفصل بينها ورق مشبع بمادة ذات خواص معينة مما يشكل مكثفاً مستوياً و يلف هذا المكثف على شكل اسطواني ..
و لما كانت السعة تعطى بالقانون
السعة = ثابت العازلية * مساحة سطح اللبوس / البعد بين اللبوسين
ثابت العازلية = ثابت العازلية النسبي * ثابت العازلية للخلاء
ثابت العازلية للخلاء = 8.85 * 10 ^ -12 فاراد / م
^ رمز القوة
* يشير إلى عملية ضرب
/ يشير إلى عملية قسمة
فللحصول على مكثفات ذات سعات عالية يجب
أولاً زيادة سطح اللبوس المعدني
إن زيادة سطح المكثف يكبر بشكل كبير من حجمه و قد يكون هذا غير مناسب من الناحية العملية و خصوصاً في الأجهزة الالكترونية..
ثانياً إنقاص المسافة بين اللبوسين
هناك صعوبة من الناحية التقنية في هذا الاجراء حيث أن هذا الأمر بتطب استخدام عازل رقيق للغاية من ناحية
كما أن انقاص المسافة بين اللبوسين تؤدي إلى نشوء حقل كهربائي شديد للغاية في منطقة العازل و حتى لو كان جهد التشغيل منخفضاً ..
و مثل هذه الشدة للحقل الكهربائي تحطم المادة العازلة .. و تسبب تلف المكثف ..
المكثف الكيميائي هو تطوير لتقنية حديثة مبتكرة للتخلص من هذه العوائق الكبيرة
فالورق بين النواقل هنا ليس بغرض العزل كما هو في المكثف الورقي !!!!
نعم
فبنية المكثف الكيميائي تتكون كما يلي :
1- المصعد (اللبوس الموجب) عبارة عن شريط معدني مصنوع من مادة الألمنيوم و يتم تعريضه أثناء الصناعة إلى عملية تآكل كيميائية بحيث يصبح سطحه مجعداً بشكل كبير (هذا التجعيد لا يمكن أن نراه بالعين المجردة و يحتاج إلى مكبر ميكروسكوبي لرؤيته)
الغرض من التجعيد هو زيادة السطح الظاهري بحيث يتضاعف مرات عديدة مساحة هذا اللبوس دون تكبير السطح الكلي ..
و هذا يزيد من سعة المكثف بشكل كبير ..
و هذه العملية تذكرنا بتجاعيد الدماغ البشري التي تزيد من مساحة سطحه بشكل كبير للغاية حيث أن الخلايا العصبية الدماغية تنتشر على قشرة الدماغ بشكل أساسي
2- المادة العازلة :
ثم يمرر هذا الشريط (المصعد – الآنود ) على مرحلة أكسدة حيث يغطى سطح الألمنيوم المجعد بطبقة عازلة من الأوكسيد تشكل في النهاية الفاصل العازل بين قطبي المكثف ..
طبعاً طبقة الأوكسيد رقيقة للغاية و هذا يؤدي إلى سعة عالية للمكثف .
سؤال لماذا تكون المكثفات الكيميائية محدودة الفولتية مقارنة بالأنواع الأخرى من المكثفات ؟
الجواب : لما كان الحقل الكهربائي للمكثف المستوي يساوي حاصل قسمة الجهد / المسافة الفاصلة بين اللبوسين
نستنتج أن الحقل ضمن الطبقة الأوكسيدية العازلة لدينا سيكون شديد للغاية لأنها شديدة الرقة حتى و لو كان الجهد المطبق صغيراً ..
و من المعلوم أن لكل مادة عازلة شدة قدرة محددة لتحمل الحقل الكهربائي بعده تنهار و تصبح ناقلة .
فمثلاً الهواء ينهار عند شدة حقل كهربائي تقارب 30 كيلو فولت للسنتيمتر الواحد أي أن المكثف الهوائي ذو المسافة 1 سم يتحمل جهداً أقل من هذا المقدار المذكور ..فإن تجاوزنا هذا الحد يحدث انفراغ (شرارة ) في هذه المنطقة متبوعة بقوس كهربائي تؤدي إلى تدمير هذا المكثف ..
أما لو كانت المسافة لهذا المكثف الهوائي ا مم فإن جهد الانهيار سيصبح 3000 فولت .. فقط ..
و لكن في حالة المكثف الكيميائي فإن طبقة الأوكسيد رقيقة من درجة أجزاء من الألف من ا لميليمتر الواحد فتصور كم هي شدة الحقل الكهربائي ستكون ..
3- المهبط : يجب أن تغطى طبقة الأوكسيد بناقل آخر يشكل المهبط
و لكن بحسب البنية الميكروية المجعدة و هذا العازل الأوكسيدي لن نتمكن من عمل ناقل معدني يغطي المهبط بشكل مثالي ..
و من هنا أتت فكرة استخدام سائل كهرليتي ناقل يشكل المهبط المطلوب بحيث يتصل المهبط بقطب معدني يربط إلى الدارة الكهربائية
بحيث أن هذا السائل يملأ الفجوات ضمن التجاعيد قدر المستطاع و من ناحية أخرى يكون لهذا الكهرليت تأثير يحافظ على وجود الطبقة الأوكسيدية على سطح المصعد عند تطبيق الجهد الكهربائي ..
و هذا يفسر الخواص القطبية للمكثف الكيميائي..
هناك نوعان من المكثفات الكيميائية
- المكثف الكيميائي السائل و يكون كالمذكور أعلاه
- المكثف الكيميائي الجاف : و هنا يحاط جانبي المصعد كالشطيرة بورق نسيجي ذو قدرة عالية على الامتصاص و يشرب السائل الكهرليتي ضمن هذا الورق .
" و هنا قد يختلط الأمر على البعض فيعتقد أن هذا الورق هو العازل .. لكنه في الحقيقة غير ذلك تماماً .."
و تغطى الشطيرة من الأعلى و الأسفل بصفائح(شرائط ) ألمنيوم ذات أسطح ناقلة "غير مؤكسدة".. يتم وصلها معاً لتشكل قطباً واحداً هو القطب السالب (الكاثود ) للمكثف الكيميائي
أخيراً تلف هذه الشطيرة المكونة من الطبقات المذكورة و توصل إلى أقطاب خارجية و تعلب ضمن كبسولة مطبوع عليها قيمة المكثف و الجهد الذي يتحمله
من الطبيعي أن نسبة الارتياب و التفاوت في قيمة المكثفات الكيميائية كبير نسبياً
سؤال لماذا يكون عمر المكثفات الكيميائية أقصر نسبياً من الأنواع الأخرى ؟؟
الجواب : إن المكثفات الكيميائية عرضة للجفاف مع مر السنين مما يؤدي إلى تناقص قيمتها تدريجياً بسبب تقلص التماس بين الأوكسيد و الناقل الكهرليتي .. و زيادة مقاومة المادة الكهرليتية مما يخفض جودة المكثف .
لذلك فإنه في الأجهزة الالكترونية فإن المكثفات الكيميائية مصدر هام من نقاط الأعطال المحتملة مع مرور الزمن ..
سؤال : ما هو سبب الخواص القطبية للمكثف الكيميائي و لماذا ينفجر عند عكس القطبية ؟؟
الجواب : طبعاً السائل الكهرليتي يؤدي إلى تشكيل طبقة الأوكسيد و تدعيمها على الآنود – القطب الموجب و يحافظ على الناقلية الجيدة للكاثود – القطب السالب .. و هو بنفس الوقت يمثل حيزاً من القطب السالب بسبب ناقليته الكهربائية .
و لكن عكس القطبية يؤدي إلى تخريب الطبقة الاوكسيدية للآنود و مرور تيار شديد في المكثف يمثل تيار قصر للدارة الكهربائية كما يؤدي إلى ارتفاع مفاجئ للتيار الكهربائي و الحرارة و نشوء ضغط غازات .. كل هذه العوامل تؤدي إلى انفجار الكبسولة ..
