فاراد
وحدة مشتقة في النظام الدولي · المقدار: السعة الكهربائية
01 · التعريف
الفاراد الواحد هو السعة التي تولّد عندها شحنة كولوم واحد جهدًا مقداره فولت واحد. وقد جاءت الوحدة ضخمة إلى حد أنها لا تُستعمل كاملة تقريبًا: تُقاس مكثفات الدارات بالبيكوفاراد والميكروفاراد، ولم يدخل الفاراد الاستعمال اليومي إلا مع المكثفات الفائقة. وسعة كرة بحجم الأرض سبعمئة ميكروفاراد.
كانت زجاجة ليدن أول مكثف في التاريخ، سنة 1745. سعتها نحو نانوفاراد: زجاجة عليها رقاقة من الداخل والخارج كانت تحتفظ بشحنة تُسقط صفوفًا كاملة من الرهبان.
المادة الموضوعة بين اللوحين تستقطب، فيلغي حقلها الخاص جزءًا من الحقل الخارجي، وينخفض الجهد عند الشحنة نفسها — أي إن السعة ترتفع. الورق يعطي معاملًا نحو ثلاثة، والميكا ستة، والماء ثمانين، وتيتانات الباريوم في الخزف حتى بضعة آلاف. وثمن السماحية العالية عدم الاستقرار: خزف الفئة Y5V يفقد عند طرفَي مجال حرارة العمل ما يصل إلى ثمانين في المئة من سعته وينخفض بوضوح تحت الجهد، لذا تُوضع في الدارات الدقيقة رقاقة بثلاثتها المتواضعة.
02 · التحويل
أدخل سعة — وستفكّكها البطاقة إلى وحدات
القطع الحقيقية تعيش في البيكو والميكروفاراد، ولذلك تعمل البادئات هنا بكامل طاقتها. وفي المخططات والمراجع القديمة تُصادَف سنتيمترات السعة — وحدة نظام CGS-ES، تساوي نحو بيكوفاراد واحد.
وسم المكثفات ثلاثي الأرقام ودائمًا بالبيكوفاراد: الرقمان الأولان القيمة، والثالث عدد الأصفار. والرمز 104 يعني عشرة وأربعة أصفار، أي مئة ألف بيكوفاراد، وهي نفسها مئة نانوفاراد أو صفر فاصلة واحد ميكروفاراد — ثلاث كتابات لمقدار واحد، تُصادَف في مدارس رسم مختلفة. والحرف المجاور يعطي التسامح: K عشرة في المئة، وJ خمسة، وM عشرون.
| الوحدة | الاسم | القيمة | أين يُصادَف |
|---|---|---|---|
| F | فاراد، وحدة النظام الدولي | 1 | وحدة الانطلاق في هذه البطاقة |
| mF | ملّي فاراد | 1000 | بادئة نادرة: تُكتب بالأحرى آلاف الميكروفارادات |
| µF | ميكروفاراد | 1000000 | أكثر البادئات ألفةً في المخططات |
| nF | نانوفاراد | 10⁹ | الكتابة الأوروبية؛ وفي أمريكا 0.1 µF نفسها |
| pF | بيكوفاراد | 10¹² | تحته تبدأ سعة الموصلات نفسها |
| cm | سنتيمتر، CGS-ES | 8.988·10¹¹ | في النظام الكهروستاتيكي كانت السعة تُقاس بالطول |
| R, m | نصف قطر كرة | 8.988·10⁹ | لفاراد واحد يبلغ نصف القطر تسعة ملايين كيلومتر |
| cm | سنتيمتر، CGS-ES | 8.988·10¹¹ | سعة الكرة تساوي نصف قطرها |
| abF | أبفاراد، CGS-EM | 10⁻⁹ | مليار فاراد في وحدة واحدة |
| jar | «الجرة» | 9.009·10⁸ | كانوا يعدّون كم زجاجة ليدن تؤلف بطارية |
| µµF | ميكروميكروفاراد | 10¹² | بادئة مزدوجة بدل بيكو |
| F | فاراد | 1 | وحدة الانطلاق في هذه البطاقة |
الفاراد نسبة الكولوم إلى الفولت، ولذلك يقف بينهما. ومع الأوم يعطي ثوانيَ، ومع الهنري تردد رنين الدارة
03 · رتب المقادير
من الترانزستور إلى الكوكبفاراد واحد: مكثف فائق بحجم كوب
04 · أجهزة القياس
بمَ تُقاس السعة
يُدخل على القطعة موجة جيبية معلومة التردد، ويحسب من سعة التيار وفرق الطور السعةَ والفقد. والنتيجة تتعلق بتردد القياس: فالمكثف الإلكتروليتي عند مئة هرتز وعند عشرة كيلوهرتز يُظهر قيمًا مختلفة، ويُذكر التردد في بطاقة القطعة دائمًا.
دارة جسرية فيها مكثف معياري في أحد الأذرع: تُوازَن السعة وظل زاوية الفقد في آن واحد. وهو الجهاز الرئيسي لعزل الجهد العالي — فمن تزايد الفقد في كابل أو محوّل يُحكم على تقادم العازل قبل الانهيار بزمن طويل.
تُستخرج السعة بحساب الزمن اللازم لبلوغ ثلاثة وستين في المئة من الجهد عبر مقاومة معلومة. هكذا تعمل الدالة المدمجة في المتحكمات الدقيقة وكل مقياس مصنوع في البيت؛ وللمكثفات الفائقة هذا هو السبيل الوحيد، لأن الجسور غير مصمّمة لمثل هذه القيم.
أربع أسطوانات متوازية تعتمد سعتها لوحدة الطول على مقدار واحد يُقاس — طول التداخل. وقد أتاحت المبرهنة، التي وُجدت سنة 1956، حساب السعة من الهندسة، وربطت المعايير الكهربائية بالمتر عقودًا.
05 · قواعد الكتابة
µF وnF وpF — ولا شيء اسمه «µµF»
البادئات المزدوجة ممنوعة في النظام الدولي: يُكتب البيكوفاراد pF، لا «µµF» ولا «mmF»، وإن كان الاثنان يردان في المخططات القديمة. والرمز F كبير؛ أما °F المجاور فهو درجة فهرنهايت، مقدار آخر. وفي وسم المكثفات يعني «104» 10·10⁴ pF، أي 100 nF.
المكثفات الإلكتروليتية مستقطبة، والجهد في الوسم حدّ لا نقطة عمل: مكثف 16 V يعيش في دارة 12 V سنوات، وفي دارة 15 V شهورًا. وقد حفظت عادة الهواة بادئتين ملغاتين: «µµF» و«mmF» كانتا تعنيان البيكوفاراد. والستاتفاراد التاريخي من نظام CGS-ES يساوي السنتيمتر: ففي الوحدات الكهروستاتيكية كانت السعة تُقاس بالطول.
06 · الوحدات المجاورة
يقف الفاراد بين الشحنة والجهد، وفي اقترانه بالهنري يحدّد تردد دارة الرنين — تلك الدارة نفسها التي توالف المذياع على محطة.
مربع الجهد في صيغة الطاقة يعني أن مضاعفة الجهد تخزّن أربعة أضعاف — ولهذا يُقاتَل في المكثفات الفائقة على كل فولت زائد لا على الفارادات. ومن بطاقات Simetrium يجاور الفاراد بطاقات Simetrium يجاور الفاراد كولوم و فولت من التعريف، هنري بوصفه المقدار المقترن بالدارة، أوم من ثابت الزمن و جول من الطاقة المخزونة.
07 · القسم التاريخي
بمَ كانت السعة تُحسب قبل الفاراد
تلقّى بيتر فان موشنبروك صعقة من القوة بحيث قال إنه لا يعيد التجربة ولو نال تاج فرنسا. وكانت زجاجة ليدن تحتفظ بنحو نانوفاراد — وكان ذلك يكفي لطرح إنسان أرضًا.
لم ينل فاراداي تعليمًا منهجيًا ولم يتقن الرياضيات، لكن تجاربه هي التي أعطت الهندسة الكهربائية الحقلَ والحثَّ والتحليل الكهربائي جميعًا. وسُمّيت وحدة السعة باسمه.
حدّد مؤتمر الكهربائيين الفاراد عبر الكولوم والفولت، مع الفولت والأمبير والأوم. وانتقلت الممارسة فورًا إلى الميكروفاراد: ففي تلك السنوات لم يكن لأي شيء صنعته يد الإنسان سعة فاراد كامل.
قدّمت شركة General Electric براءة اختراع المكثف ذي الطبقة المزدوجة، لكن الذي حوّله إلى منتج هي NEC اليابانية، إذ أصدرت سنة 1978 «مكثفًا فائقًا» لذاكرة مسجلات الشريط. واليوم يتّسع كفّ اليد لمكثف فائق سعته ثلاثة آلاف فاراد.
اختيرت الوحدة اختيارًا سيئًا حتى إن أحدًا لم يستعملها قرابة مئتَي سنة
السعة هي المقدار الكهربائي الوحيد الذي يمكن بناء معياره من هندسة خالصة. تقول مبرهنة طومسون ولامبارد لسنة 1956 إنه في منظومة من أربعة أقطاب أسطوانية متوازية تعتمد السعة لوحدة الطول على الثابت الكهربائي وحده لا غير: لا على قطر القضبان ولا على المسافات بينها. ويكفي قياس طول التداخل بحاجب متحرك — فتُعرف السعة بالحساب. وكان مثل هذا المكثف الحسابي يعطي نحو بيكوفارادين في المتر، وخدم أساسًا لمعايير السعة الوطنية، ومن خلالها لمعايير الأوم، إذ تُستخرج المقاومة من السعة والتردد. وقد قطع أثر هول الكمّي هذه السلسلة سنة 1990 حين جعل الأوم أوليًا؛ غير أن المكثفات الحسابية بقيت في المختبرات تدقيقًا مستقلًا — والفارق بين الطريقين لا يزال إلى اليوم أحد اختبارات اتساق المعايير الكهربائية.
الدليل · وحدات القياس
بطاقة لكل مقدار
سبع وحدات أساسية في النظام الدولي، واثنتان وعشرون وحدة مشتقة لها أسماء خاصة، ووحدات خارج النظام لا تستغني عنها التقنية ولا الحياة اليومية. لكل وحدة ورقتها: التعريف، التحويل، الأجهزة، قواعد الكتابة. بـ 29 لغة.
وحدات دولية مشتقة لها أسماء خاصة
بطاقة الفاراد مفتوحةالوحدات الأساسية في النظام الدولي
باللون الطيني — الوحدات الأربع التي يتركب منها الفارادالسعة في أنظمة أخرى
لغة البطاقة
29 لغة. الرمز F عالمي، أما كتابة القيمة فلا: مئة نانوفاراد في المخططات الأوروبية، وصفر فاصلة واحد ميكروفاراد في الأمريكية — والبطاقة تردّ الكتابة إلى العرف المحلي.