טעינה על לוחות קבלים: פיזיקה של תהליכים ונוסחת חישוב

קבל הוא רכיב אלקטרוני בסיסי (יחד עם נגד ומשרן) לאחסון אנרגיה חשמלית. האנלוגיה הטובה ביותר לפעולתו תהיה השוואה עם סוללה נטענת. עם זאת, המכשיר של האחרון מבוסס על תגובות כימיות הפיכות, והצטברות המטען על לוחות הקבלים היא בעלת אופי חשמלי בלבד.

מכשיר ועיקרון הפעולה

בצורתו הפשוטה ביותר המבנה מורכב משתי אלקטרודות בצורה של לוחות מוליכים (הנקראים לוחות), מופרדים על ידי דיאלקטרי, שעוביו זניח בהשוואה למידות הלוחות. רכיבים אלקטרוניים בשימוש מעשי מכילים שכבות רבות של דיאלקטריות ואלקטרודות. בתור ייעוד לקבל בתרשים, משתמשים בשני קטעים מקבילים עם רווח ביניהם. הם מסמלים את לוחות המתכת של הלוחות של המכשיר הפיזי, מופרדים חשמלית זה מזה.

מייקל פאראדיי נחשב בעיני רבים לממציא ההמצאה, אך במציאות זה לא כך. אבל הוא עשה את העיקר - הוא הדגים את הדוגמאות והשיטות המעשיות הראשונות לשימוש במכשיר זה לאחסון מטען חשמלי בניסויים שלו. הודות לפאראדיי, האנושות קיבלה דרך למדוד את היכולת לצבור מטען. כמות זו נקראת קיבולת והיא נמדדת בפאראד.

ניתן להמחיש את פעולת הקבל בדוגמה של האירועים המתרחשים בפלאש של מצלמה דיגיטלית במרווח הזמן שבין לחיצת הכפתור ועד לרגע כיבוי הפלאש. המעגל האלקטרוני של מכשיר תאורה זה מבוסס על קבל,

שבו קורה הדברים הבאים:

• מַטעֵן. לאחר לחיצה על הכפתור, זרימת האלקטרונים נכנסת אל הקבל ונפסקת על אחת הלוחות שלו בגלל הדיאלקטרי. זרימה זו נקראת זרם טעינה.
• הצטברות. היות ותחת פעולת הכוח האלקטרו-מוטורי, יותר ויותר אלקטרונים ייכנסו ללוח ויחולקו מעליו, המטען השלילי של הצלחת יכול לגדול עד שהפוטנציאל המצטבר דוחה את הזרימה העודפת הנכנסת אלקטרונים. הלוח השני, בגלל המחסור באלקטרונים, מקבל מטען חיובי, שווה בגודלו לשלילי בראשון. זרם הטעינה יזרום עד שהמתח בשתי הלוחות יהיה שווה למתח המופעל. החוזק או המהירות של זרם הטעינה יהיו ברמה המקסימלית שלו כאשר הפלטות פרוק לחלוטין, ויתקרב לאפס ברגע שבו המתח על הלוחות והמקור יהיה שווים.
• שְׁמִירָה. מכיוון שהלוחות טעונים הפוך, יונים ואלקטרונים יימשכו זה לזה, אך לא יוכלו להתחבר בגלל השכבה הדיאלקטרית, ויוצרים שדה אלקטרוסטטי. הודות לשדה זה, הקבל מחזיק ומאחסן את המטען.
• פְּרִיקָה. אם יתאפשר לאלקטרונים לזרום בצורה שונה במעגל, אזי המתח שנצבר בין חיובי ל מטענים שליליים של הלוחות, מתממשים באופן מיידי לזרם חשמלי, שהדופק שלו במנורת ההבזק הופך ל אנרגיית אור.

כך, הפלאש מבין את יכולתו של הקבל לאגור את האנרגיה מהסוללה עבור הדופק. סוללת המצלמה היא גם התקן אחסון, אך בשל האופי הכימי של האחסון, היא מייצרת ומשחררת אנרגיה באיטיות.

קיבולת, טעינה ומתח

התכונה של קבל לשמור על מטען על הלוחות בצורה של שדה אלקטרוסטטי נקראת קיבולת. ככל ששטח הלוחות גדול יותר והמרחק ביניהם קטן יותר, כך הם מסוגלים לצבור יותר מטען ובהתאם, יש להם קיבולת גדולה יותר. כאשר מופעל מתח על הקבל, היחס בין המטען Q למתח V ייתן את ערך הקיבול C. נוסחת מטען הקבל תיראה כך:

Q = C * V.

מדד הקיבולת החשמלית הוא פארד (F). יחידה זו היא תמיד חיובית ואין לה ערכים שליליים. 1 F שווה לקיבולת של קבל, המסוגל לאחסן מטען של 1 קולומב על לוחות עם מתח של 1 וולט.

פאראד היא יחידת מדידה גדולה מאוד לנוחות השימוש ליישם בעיקר את האמצעים השבריים שלו:

• מיקרופארד (μF): 1μF = 1 / 1,000,000 F.
• Nanofarad (nF): 1nF = 1 / 1,000,000,000 F.
• Picofarad (pF): 1pF = 1/000000000000 F.

ערך דיאלקטרי

בנוסף לגודל הכללי של הפלטות ולמרחק ביניהן, קיים פרמטר נוסף המשפיע על הקיבולת – סוג המבודד בו משתמשים. הגורם שבאמצעותו נקבעת היכולת של דיאלקטרי להגדיל את הקיבולת של קבל בהשוואה לוואקום נקרא קבוע דיאלקטרי ומתואר עבור חומרים שונים בערך קבוע מ-1 עד אינסוף (בתיאוריה):

• ואקום: 1,0000;
• אוויר: 1,0006;
• נייר: 2.5-3.5;
• זכוכית: 3-10;
• תחמוצות מתכת 6-20;
• קרמיקה חשמלית: עד 80.

בנוסף לקבלים דיאלקטריים מוצקים (קרמיקה, נייר, סרט) יש גם אלקטרוליטים. האחרונים משתמשים בלוחות אלומיניום או טנטלום עם שכבת בידוד תחמוצת כאלקטרודה אחת ותמיסת אלקטרוליט בתור השנייה.

המאפיינים העיקריים של עיצוב זה הם בכך שהוא מאפשר צבירת מטען מרשים יחסית בגודל קטן ומהווה אחסון חשמלי קוטבי. כלומר, הוא כלול במעגל החשמלי ביחס לקוטביות.

האנרגיה שרוב הקבלים מסוגלים לאגור היא בדרך כלל קטנה - לא יותר ממאות ג'אול. בנוסף, זה לא מחזיק מעמד זמן רב בגלל דליפת המטען הבלתי נמנעת. לכן, קבלים אינם יכולים להחליף, למשל, סוללות כמקור כוח. ולמרות שהם מסוגלים לבצע ביעילות רק עבודה אחת (שימור מטען), היישום שלהם מגוון מאוד במעגלים חשמליים. קבלים משמשים כמסננים, להחלקת מתח קו, כהתקני סנכרון ולמטרות נוספות.