فاراد
في عام 1746 في لايدن صبّ بيتر فان موسنبروك ماءً في قارورة زجاجية وأدلى فيها سلكًا. شُحن السلك من آلة كهربائية. كان مساعده يمسك القارورة بيد، ثم لمس السلك باليد الأخرى. كانت الصدمة من القوة بحيث كتب موسنبروك إلى زميل له أنه لن يعيد التجربة مهما كان الثمن.
تبيّن أن القارورة كانت أول مكثف: الماء في داخلها واليد من خارجها هما اللبوسان، والزجاج بينهما هو العازل. أما مقدار الشحنة التي يحملها اللبوسان عند جهد معيّن فتبيّنه السعة. الفاراد الواحد هو السعة التي يمنحها جهد قدره 1 V شحنةً قدرها 1 C. وهذا كثير جدًا: فسعة الأرض كلها، بوصفها كرة، نحو 710 µF.
| الرمز | F |
| التعريف | كولوم لكل فولت · C/V · kg⁻¹·m⁻²·s⁴·A² |
| قيم مرجعية | ε₀ — 8,854 187 8·10⁻¹² F/m · كرة نصف قطرها 1 m — 111 pF · الأرض بوصفها كرة — نحو 710 µF |
| اعتُمدت | 1881، المؤتمر الكهربائي الدولي في باريس · في النظام الدولي منذ 1960 |
| المعايير | ISO 80000-6 · IEC 60384 · IEC 60062 · SI Brochure 9th ed. |
| قيم نموذجية | 10 pF — مجسّ راسم الذبذبات · 100 nF — عند أطراف الشريحة · 3000 F — مكثف فائق |
01 · التعريف
كولوم واحد لكل فولت
تبيّن السعة C مقدار الشحنة التي يجب وضعها على موصل كي يرتفع جهده فولتًا واحدًا. وأسهل ما يُرى ذلك على صفيحتين. تتلقى إحداهما الموجب والأخرى السالب، فينشأ بينهما مجال. وكلما كبرت الصفيحتان واقتربت إحداهما من الأخرى اتسعتا لشحنة أكبر عند الجهد نفسه.
العازل بين الصفيحتين يزيد السعة. فجزيئاته تدور في المجال وتطفئ جزءًا منه. الزجاج يزيد السعة نحو 7 مرات، وسيراميك تيتانات الباريوم ألف مرة وأكثر. أما الطاقة المختزنة فتزداد مع مربع الجهد.
ماذا تعني «104» على مكثف صغير
يتسع القرص السيراميكي لثلاثة أرقام وحرف. الرقمان الأولان بداية العدد. والثالث يقول كم صفرًا يُضاف إليه. ومعًا تعطي السعة بالبيكوفاراد. والحرف بعد الأرقام هو التفاوت المسموح. اختر الأرقام فتظهر في الأسفل السعة مع حدودها.
للحصول على 1 F من صفيحتين بينهما فجوة هوائية قدرها 1 mm يجب أن تبلغ مساحة كل صفيحة 113 km². وكرة معزولة سعتها 1 F سيكون نصف قطرها 9 ملايين km. أما المكثفات الفائقة فتتحايل على ذلك بطريقة أخرى. فالشحنة فيها تستقر على سطح كربون مسامي، والفجوة بين الشحنات نحو نانومتر واحد. وفي غرام واحد من هذا الكربون مئات الأمتار المربعة من السطح.
لماذا تقفز شرارة حين يُسحب الزجاج من المكثف
على اليسار مصدر جهد عالٍ حتى 15 kV، يشحن صفيحتين مربعتين أبعادهما 20 × 20 cm عبر مقاوم قدره 100 MΩ. الصفيحة الحمراء موجبة، والفيروزية سالبة. والخطوط الصفراء هي المجال بينهما: كلما تكاثفت الخطوط اشتد المجال. وعلى يمين الصفيحتين عمود يقارن المجال بمتانة الهواء، نحو 3 kV/mm. ويمكن إدخال عازل بين الصفيحتين. وتعرض العدسة المكبرة على اليمين جزيئاته: الطرف الأحمر موجب، والفيروزي سالب. ويمكن فصل المصدر: عندها لا تجد الشحنة مكانًا تذهب إليه. وزر «فرّغ» يعطي الطاقة لمصباح.
المصدر يشحن الصفيحتين.
02 · التحويل
| الوحدة | القيمة | أين تَرِد |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
«MFD» على المكثفات القديمة تعني الميكروفاراد لا الميلي فاراد. وكان البيكوفاراد يُكتب «MMFD»، أي ميكروميكروفاراد.
مكثف فائق سعته 3000 F عند 2,7 V يختزن نحو 11 kJ. وهذا يعادل تقريبًا ما في بطارية قلوية من نوع AA.
سعة الأرض كلها، نحو 710 µF، أقل من سعة مكثف ترشيح واحد قدره 1000 µF في مزوّد طاقة.
03 · مراتب العِظَم
04 · أدوات القياس
05 · قواعد الكتابة
06 · الوحدات المجاورة
07 · القسم التاريخي
في عام 1956 وجد أندرو تومسون ودوغلاس لامبارد مكثفًا يمكن حساب سعته. أربع أسطوانات طويلة تقف عند زوايا مربع. والسعة بين الزوجين المتقابلين لكل متر من الطول تساوي ε₀·ln 2 / π، أي نحو 1,953 549 pF/m. ويصح هذا تقريبًا مع أي تناظر دقيق للمقطع. ويُقاس الطول بمقياس تداخل ليزري، ومن الطول تُستخرج السعة.
منذ 2019 صار الثابتان h وe دقيقين، والفاراد مرتبط بهما عبر الأوم. يُقارن معيار مقاومة قائم على أثر هول الكمي بمكثف في قنطرة تربيعية عند تردد معلوم: C = 1 / (2πfR). وهكذا تحقق المختبرات الوطنية الفاراد بدقة تبلغ أجزاء من المليون.
فهرس الكميات
الفهرس كله ←الوحدات الأساسية السبع في النظام الدولي
قطرة حمض تغيّر لون العصير، والملح يلوّن اللهب، والماء يتجمد بنقرة. وتحتها كل صفحات Simetrium بحسب المجال وبالترتيب الأبجدي.
افتح الفهرس ←