קבל

קבלים שונים

קבלים מסוגים שונים: למעלה משמאל שתי שורות של קבלים קרמיים, למטה משמאל קבלי טנטאלום, למטה מימין קבל אלקטרוליטי, למעלה מימין קבל קרמי.

קַבָּל (באנגלית: Capacitor) הוא רכיב אלקטרוני סביל שתפקידו העיקרי הוא לאגור אנרגיה חשמלית בתוך שדה חשמלי. מבנהו הבסיסי כולל שני מוליכים המופרדים באמצעות חומר מבודד, המכונה חומר דיאלקטרי. יכולתו של הקבל לאגור מטען חשמלי נקראת קיבול, והיא תכונתו החשובה ביותר.

כאשר מחברים את הקבל למקור מתח חשמלי (כמו סוללה), מקור המתח גורם להפרדת מטענים: הוא "שואב" אלקטרונים ממוליך אחד (מה שהופך אותו לטעון חיובית) ו"דוחף" אותם אל המוליך השני (מה שהופך אותו לטעון שלילית). הפרדת מטענים זו יוצרת שדה חשמלי במבודד שבין המוליכים, ובתוך שדה זה נאגרת האנרגיה. החומר המבודד (הדיאלקטרי) מונע מהמטען לזרום ישירות בין המוליכים, ובכך מאפשר את אגירתו.

התנהגותו של הקבל תלויה בסוג הזרם במעגל. במעגלי זרם ישר (DC), לאחר שהקבל נטען במלואו, הוא מתפקד כנתק ומונע מעבר זרם. לעומת זאת, במעגלי זרם חילופין (AC), מתח המקור משנה את כיוונו לסירוגין, מה שגורם לקבל להיטען ולהיפרק באופן מחזורי ורציף. אף על פי שזרם אינו עובר פיזית דרך החומר המבודד, התנועה המתמדת של אלקטרונים אל הלוחות וממנו יוצרת אפקט של זרם רציף במעגל. תכונה זו הופכת אותו לרכיב יסודי ביישומים רבים.

קבלים משמשים במגוון רחב של מעגלים חשמליים: הם חוסמים זרם ישר אך מאפשרים מעבר של זרם חילופין, משמשים במסננים לסינון רעשים וייצוב מתחים בספקי כוח, מכוונים מקלטי רדיו לתדרים מסוימים במעגלי תהודה, ומייצבים מתח וזרימת הספק במערכות הולכת חשמל. תכונת אגירת האנרגיה של קבלים מנוצלת גם כזיכרון דיגיטלי: ניתן לייצג סיבית (ביט) של מידע באמצעות מצב הטעינה של קבל זעיר – קבל טעון יכול לייצג "1" לוגי, וקבל פרוק יכול לייצג "0". עיקרון זה שימש במחשבים מוקדמים ומהווה עד היום את הבסיס לזיכרונות DRAM מודרניים.

צורותיו המוקדמות ביותר של הקבל פותחו בשנות ה-40 של המאה ה-18 ונקראו צנצנת ליידן. בעבר, היה נהוג להשתמש במונח מַעֲבֶה (Condenser) לתיאור הרכיב, ושם זה עדיין נמצא בשימוש בהקשרים מסוימים, כמו ב"מיקרופון קונדנסר".

היסטוריה

ראו גם – צנצנת ליידן

סוללה של ארבע צנצנות ליידן במוזיאון בורהאווה, ליידן, הולנד

באוקטובר 1745, המדען הגרמני אוואלד גאורג פון קלייסט גילה שניתן לאגור מטען חשמלי על ידי חיבור מחולל אלקטרוסטטי, מכונה המייצרת חשמל סטטי במתח גבוה באמצעות חיכוך, באמצעות חוט לצנצנת זכוכית מלאה במים, שאותה החזיק בידו. ידו של פון קלייסט והמים שימשו כמוליכים, והצנצנת כמבודד דיאלקטרי. הוא גילה כי נגיעה בחוט גרמה לניצוץ רב עוצמה, כואב הרבה יותר מזה שהופק ממכונה אלקטרוסטטית. בשנה שלאחר מכן, הפיזיקאי ההולנדי פיטר ואן מוסנברק המציא קבל דומה, שזכה לכינוי צנצנת ליידן, על שם אוניברסיטת ליידן שבה עבד. גם הוא התרשם מעוצמת מכת החשמל, והצהיר כי לא היה מוכן לספוג מכה שנייה "אף לא תמורת ממלכת צרפת כולה".

דניאל גראלאת היה הראשון שחיבר מספר צנצנות במקביל כדי להגדיל את יכולת אגירת המטען. בנג'מין פרנקלין חקר את צנצנת ליידן והסיק כי המטען נאגר על הזכוכית, ולא במים. הוא טבע את המונח "סוללה" (battery), בהקבלה לסוללת תותחים, לתיאור חיבור של מספר יחידות זהות להגברת הכוח. מאוחר יותר, הועתק המונח לתיאור חיבורם של תאים אלקטרוכימיים.

צנצנות ליידן והתקנים מבוססי לוחות זכוכית היו בשימוש בלעדי עד סביבות 1900. המצאת האלחוט (Wireless), שהיא טכנולוגיית הרדיו המוקדמת, יצרה צורך בקבלים בעלי ערכים מדויקים וידועים (קבלים סטנדרטיים) לצורך כוונון מעגלי תהודה לתדרים ספציפיים. המעבר לתדרים גבוהים יותר דרש גם קבלים בעלי השראות נמוכה, תכונה שלא התאפיינה בצנצנות הגדולות. אז החלו לפתח שיטות בנייה קומפקטיות יותר, כמו גלילת יריעות מתכת ויריעה דיאלקטרית גמישה למארז קטן.

פרסומת מגיליון ה-28 בדצמבר 1923 של העיתון "The Radio Times" לקבלים (Condensers) של חברת Dubilier, המיועדים לשימוש במקלטי רדיו.

קבלים מוקדמים היו ידועים בשם "מַעֲבֶּה" (condenser), מונח ששימש את אלסנדרו וולטה ב-1780, בהתייחסו ליכולתו של ההתקן "לעבות" ולאגור צפיפות גבוהה יותר של מטען חשמלי. בשפה האנגלית, המונח יצא משימוש בהדרגה בשל משמעותו הכפולה והמבלבלת בהקשר של "מעבה קיטור", והמונח "Capacitor" הומלץ על ידי האגודה הבריטית לתקני הנדסה ב-1926.

עם התפתחות הטכנולוגיה, פותחו סוגים שונים של קבלים המבוססים על חומרים מגוונים:

קבלי נייר: היו בשימוש נפוץ בסוף המאה ה-19. הם נבנו על ידי גלילת רצועת נייר שהוספגה בחומר מבודד (כמו שמן או שעווה) בין שתי רצועות מתכת. הנייר שימש כמפריד דיאלקטרי, וההספגה שיפרה את תכונות הבידוד שלו ומנעה קצר חשמלי.

קבלי חרסינה ונציץ: חרסינה שימשה בקבלים הקרמיים הראשונים. נציץ (Mica) הוא מינרל טבעי בעל תכונות בידוד מעולות ויציבות בתדרים ובטמפרטורות גבוהות, ולכן התאים במיוחד ליישומי רדיו מוקדמים.

קבלים אלקטרוליטיים: קרול פולק המציא קבלים אלה, המבוססים על אלקטרוליט – נוזל או ג'ל המכיל יונים ומסוגל להוליך חשמל. בקבל כזה, האלקטרוליט משמש כאחד מהמוליכים (הקתודה), והוא מסייע ליצור ולשמר שכבת תחמוצת דקיקה במיוחד על פני המוליך השני (האנודה). שכבת תחמוצת זו, שהיא המבודד הדיאלקטרי, דקה באופן יוצא דופן, ומאפשרת להגיע לערכי קיבול גבוהים מאוד בנפח קטן.

קבלי טנטלום: פותחו במעבדות בל בשנות ה-50. טנטלום הוא מתכת נדירה המסוגלת ליצור שכבת תחמוצת יציבה ואיכותית במיוחד, ובכך מתאפשר ייצור קבלים זעירים ואמינים לתמיכה בטרנזיסטור שהומצא באותה העת.

קבלי-על: הומצאו ב-1957. ניחנים בקיבול עצום באמצעות שימוש באלקטרודות עשויות פחם פעיל, חומר בעל מבנה נקבובי ביותר המקנה לו שטח פנים אדיר. הם אינם משתמשים במבודד דיאלקטרי רגיל, אלא במנגנון של "שכבה כפולה חשמלית": על פני כל אלקטרודה, בתוך האלקטרוליט, נוצרת שכבה דקיקה של יונים בעובי של מולקולות בודדות. הפרדה זעירה זו היא המאפשרת את הקיבול הגבוה במיוחד.

קבלי MOS (Metal-Oxide-Semiconductor): ה-MOS הוא מבנה זעיר המורכב מאלקטרודת מתכת, שכבת תחמוצת דקיקה (מבודד) ומצע של מוליך למחצה (כמו סיליקון), המשמש כאלקטרודה השנייה. מבנה זה הפך לאבן הבניין של האלקטרוניקה המודרנית. הוא משמש כקבל אחסון בשבבי זיכרון, שבהם נוכחות או היעדר מטען מייצגים "1" או "0" לוגי, וכן כיחידה הבסיסית בחיישני CCD, שבהם פגיעת אור יוצרת מטען חשמלי הנאגר בקבל ונקרא מאוחר יותר ליצירת תמונה. ב-1966, ד"ר רוברט דנארד המציא את ארכיטקטורת ה-DRAM המודרנית, המשלבת טרנזיסטור MOS יחיד לכל קבל.

מאפייני הקבל

ככלל, הקבל בנוי משני מוליכים (הדקי הקבל) המופרדים על ידי מַבְדֵּד. כאשר הקבל "טעון", על שני ההדקים שלו יש מטען השווה בגודלו והפוך בסימנו, כך שבין ההדקים נוצר שדה חשמלי. סך המטען על קבל הוא תמיד 0. תאורטית, כל זוג מוליכים (ואפילו מוליך יחיד) יכולים לתפקד כקבל, אך הסוגים הנפוצים ביותר הם קבל לוחות וקבל קואקסיאלי (לקמן).

קיבול

ערך מורחב – קיבול

התכונה המגדירה את הקבל היא קיבול (capacitance) והיא נמדדת ביחידות פאראד. הקיבול מוגדר כיחס בין המטען האגור בקבל לבין הפרש הפוטנציאלים עליו:

$\ C={\frac {q}{\Delta \phi }}={\frac {q}{V}}$

יחידת המידה של הקיבול היא פאראד, המוגדרת כיחס כקולון לוולט ביחידות SI או ס"מ ביחידות cgs.

q היא המטען על אחד מהדקי הקבל (למעשה, על הדק אחד יש מטען q+ ועל השני יש מטען של q-), שהם לוחות בקבל לוחות או משטחים בקבל קואקסיאלי; ו־V הוא המתח בין הדקי הקבל.

צורת המשוואה $\ q={C}\cdot {V}$ מדגימה את משמעות הקיבול: ככל שקיבול הקבל יותר גדול, בהינתן מתח כלשהו עליו, המטען שהוא יאגור יהיה גדול יותר.

פאראד היא יחידה גדולה מאוד - לשם המחשה, למוליך בגודל של כדור הארץ יהיה קיבול מסדר גודל של 0.7 מילי־פאראד. לכן לרוב משתמשים ביחידות קטנות יותר דוגמת pF (פיקו־פאראד = $\ 10^{-12}F$) או μF (מיקרו־פאראד = $\ 10^{-6}F$). השגת קיבול גבוה היא אתגר המצריך לרוב הגדלה של נפח הקבל. לרוב הקיבול הקבל קבוע ותלוי בפרמטרים הגאומטריים של שלו ובתכונות החומרים המרכיבים אותו, אך לא במטען שהקבל מכיל, משום שהוא משתנה - תלוי במתח על הקבל.

האנרגיה האגורה בקבל

האנרגיה הדרושה על-מנת להעביר מטען שגודלו dq מלוח אחד של הקבל למשנהו שווה ל־$\ Vdq$, כאשר V הוא המתח על הקבל. על פי הגדרת הקיבול, $V=q/C$. לאחר אינטגרציה לפי dq נקבל שסך האנרגיה האגורה בקבל היא $E={\frac {q^{2}}{2C}}$, כאשר q הוא המטען שעל הקבל ו-C הוא הקיבול שלו. אם נציב $\ q=CV$ נקבל נוסחה נוספת לאנרגיה: $E={\frac {1}{2}}CV^{2}$.

יחס זרם־מתח בקבל

מהגדרת הקיבול נובע:

$Q(t)=CV(t)$

אם נגזור את הנוסחה, נקבל:

$I(t)={\dot {Q}}(t)=C{\dot {V}}(t)$

המשלים של הקבל הוא הסליל, המאחסן אנרגיה בשדה מגנטי ולא בשדה חשמלי. יחס הזרם-מתח שלו מתקבל על ידי החלפת הזרם והמתח במשוואת הקבל לעיל והחלפת C בהשראוּת L.

קבל במעגל חשמלי

ערך מורחב – חיבור בטור ובמקביל

סמל של קבל בתרשים של מעגל חשמלי

חיבור טורי של קבלים

חיבור מקבילי של קבלים

זרם ישר לא יכול לזרום דרך קבל, אלא רק לטעון אותו. משום כך, משמשים קבלים בעיקר במעגלים של זרם חילופין. כמו כן משמשים קבלים במעגלי פריקה והארקה.

בחיבור טורי של קבלים, סך הקיבול ניתן על ידי הנוסחה: ${\frac {1}{C_{total}}}=\Sigma {\frac {1}{C_{i}}}$

בחיבור מקבילי של קבלים, סך הקיבול שווה לסכום הקיבולים של הקבלים הנפרדים: $\ C_{total}=\Sigma C_{i}$

סוגי קבלים אידיאליים

קבל כדורי

הקבל הפשוט ביותר מבחינה חישובית הוא מעטפת כדורית מוליכה ברדיוס R שטעונה במטען כולל q. במקרה זה, הפוטנציאל על המוליך (ביחידות SI) הוא $\ \Phi ={\frac {kq}{R}}$ ולכן הקיבול של קבל זה הוא (ביחידות SI)

$\ C={\frac {q}{\Phi }}={\frac {q}{kq/R}}={\frac {R}{k}}$

עם זאת, קבל כדורי אינו פשוט למימוש והוא משמש בעיקר כמודל תאורטי.

קבל לוחות

קבל לוחות, והשדה החשמלי שבין הלוחות (בכחול)

שדה חשמלי הומוגני בקבל, אשר כיוונו מהלוח החיובי אל השלילי.

הטענת קבל לוחות במעגל חשמלי

הקבל הפשוט ביותר למימוש הוא שני לוחות מוליכים מקבילים שביניהם חומר מבודד. בטעינת הקבל כאשר נאספים מטענים על שני לוחות הקבל – מטען חיובי q בלוח אחד ומטען שלילי q - בלוח שני. המטענים אינם יכולים לעבור מלוח אחד למשנהו משום שביניהם מפריד חומר מבודד. הפרש המטען הזה יוצר מתח חשמלי V, הנמדד בין הדקי הקבל וכן שדה חשמלי הנוצר כתוצאה מהמתח.

קיבול של קבל לוחות אידיאלי הוא:

$C={\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}A}{d}}$

כאשר $A$ הוא שטח כל אחד משני הלוחות, $d$ הוא המרחק המפריד ביניהם, $\varepsilon _{0}$ הוא המקדם הדיאלקטרי של הריק, ו-$\varepsilon _{r}$ הוא קבוע תלוי-חומר הקרוי מקדם הדיאלקטריות היחסי.

מציאת קיבול קבל לוחות

יהי קבל לוחות אידיאלי, ששטח כל אחד מלוחותיו, $A$, גדול מאוד בהשוואה למרחק המפריד ביניהם, $d$ ‏(${\sqrt {A}}>>d$). תהי צפיפות המטען על כל לוח $\sigma$. כיוון ששני הלוחות קרובים מאוד האחד לשני, הם מושכים אחד את המטענים של השני, כך שרובם מרוכז בצד אחד של הלוח, והמטען מפוזר על כל לוח כאילו היה לוח זה מבודד ולא מוליך. מחוק גאוס נובע שהשדה החשמלי שמפעיל כל לוח שווה ל־${\frac {\sigma }{2\varepsilon _{0}\epsilon _{r}}}$ (ראו שדה חשמלי לפירוט). לכן סך השדה שיוצרים שני הלוחות הוא ${\frac {\sigma }{\varepsilon _{0}\epsilon _{r}}}$. מכיוון ששניהם מאונכים ללוחות, גם סך השדה מאונך להם. הפרש הפוטנציאלים בין שני הלוחות הוא:

$V=\int {\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}=\int E\ dl=E\int dl=Ed={\frac {\sigma d}{\varepsilon _{0}\epsilon _{r}}}$

סך המטען על כל לוח הוא $\ \sigma A$. בהצבת נתונים אלה בהגדרת הקיבול יתקבל:

$C={\frac {q}{V}}={\frac {\sigma A\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}}{\sigma d}}={\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}A}{d}}$

אפשר לראות כי קיבול קבל לוחות הוא גודל קבוע ואינו תלוי במטען הקבל או במתחו, אלא רק בפן הגאומטרי (שטח לוחות הקבל והמרחק ביניהם) ובמקדם הדיאלקטרי של היחסי, שהוא קבוע התלוי בתכונות החומר המפריד בין הלוחות. כאשר חלקי הקבל יכולים לזוז נוסחת הקיבול תהיה שונה.

קבל קואקסיאלי

קבל קואקסיאלי מורכב משני תֵילים מקבילים, האחד בתוך השני, בעלי ציר משותף, שעל אחד מהם מטען חיובי ועל האחר מטען שלילי – רדיוס התיל הפנימי הוא a והרדיוס החיצוני הוא b. צפיפות המטענים על שני התילים היא $\lambda$. השדה בין התילים הוא רק השדה החשמלי שמייצר התיל הפנימי מכיוון שבתוך התיל החיצוני סך השדה הוא 0 (מה שקל מאוד להוכיח בעזרת חוק גאוס). שדה חשמלי של מוט במרחק r ממנו הוא, ${\frac {\lambda }{2\pi \varepsilon _{0}r}}$. נעשה לביטוי זה אינטגרציה כמקודם ונקבל, ש־$V=\int Edr={\frac {\lambda }{2\pi \varepsilon _{0}}}\int _{a}^{b}{\frac {1}{r}}dr={\frac {\lambda }{2\pi \varepsilon _{0}}}\left[\ln r\right]_{a}^{b}={\frac {\lambda }{2\pi \varepsilon _{0}}}\ln \left({\frac {b}{a}}\right)$. סך המטען על קטע מסוים של תיל אחד משני תֵילֵי הקבל הוא $\ \lambda l$, כאשר l הוא אורך כלשהו. נציב את הנתונים הנ"ל בנוסחה למציאת קיבול ונמצא, ש - $C={\frac {2\pi \varepsilon _{0}l}{\ln \left({\frac {b}{a}}\right)}}$.

הקיבול של קבל קואקסיאלי במערכת היחידות cgs נתון על ידי $C={\frac {l}{2\ln \left({\frac {b}{a}}\right)}}$.

אם יש לנו קבל קואקסיאלי עם חומר דיאלקטרי בין התילים המרכיבים אותו, אזי לצד מקדם הדיאלקטריות של הריק $\ \epsilon _{0}$ יש להוסיף גם את מקדם הדיאלקטריות של החומר $\ \epsilon _{r}$.

קבלים מעשיים

החומר הדיאלקטרי בקבל

ערך מורחב – חומר דיאלקטרי

הוספת חומר דיאלקטרי לקבל

חומר דיאלקטרי הוא מונח פיזיקלי לציון חומר מבודד ושקוף, במקרה בו חשוב המקדם הדיאלקטרי או מקדם השבירה של החומר. חומרים דיאלקטריים משמשים כחומר מילוי ברכיבים חשמליים שונים כגון קבלים, אנטנות, מעגלים מודפסים ועדשות אופטיות. דוגמאות לחומרים דיאלקטריים הנמצאים בשימוש הן: זכוכית, סוגי פולימרים (פלסטיק) שונים, פיברגלס, קרמיקות שונות.

החומר הדיאלקטרי נמצא בין לוחות הקבל והוא מגדיל את הקיבול שלו.

החומר הדיאלקטרי הוא אחד הגורמים הקובעים את קיבולו של קבל לוחות. והוא מאופיין ביכולת החומר המבודד לבצע התקטבות. כאשר שמים בין שני לוחות קבלים חומר מבדד הקיבול C גדול יותר בהשוואה לקיבול הקבל באוויר. גודל הקיבול של קבל לוחות נמצא ביחס ישר לשטח הלוחות ולמקדם הדיאלקטרי של החומר שביניהם וביחס הפוך למרחק ביניהם.

סוגי קבלים בשימוש – על פי החומר הדיאלקטרי

ניתן למיין את הקבלים על פי סוג החומר הדיאלקטי שנמצא בהם:

• קבלים אלקטרוליטיים – בהם אין לוח שני אלא ג'ל (אלקטרוליט) המחליף אותו. קבלים אלה משמשים בעיקר בספקי כוח ומאופיינים ביחסי קיבול לנפח ומשקל גבוהים ביותר. אולם, יש להם קוטביות. הקוטב החיובי (האנודה) היא מתכתית ועליה שכבת אוקסיד המשמשת כתווך הדיאלקטרי. הקוטב השלילי (הקטודה) הוא הג'ל. אסור להפעיל עליהם מתח בקיטוב הפוך, היינו מתח חיובי לקטודה ושלילי לאנודה.
• קבלי טנטאלום – אלו קבלים אלקטרוליטיים המשתמשים במתכת טנטלום עבור האנודה. הם קבלים מקוטבים עם מאפייני תדר ויציבות מעולים.
• קבלים קרמיים – אלו קבלים המשתמשים בחומר קרמי כדיאלקטרי. שני הסוגים הנפוצים ביותר הם קבלים קרמיים רב שכבתיים וקבלי דיסק קרמי. הם בעלי מאפייני תדר טובים עד מצוינים
• קבלי פלסטיק מצופה מתכת
• קבל אוויר – קבלי אוויר הם קבלים המשתמשים באוויר כמדיום הדיאלקטרי הממוקם בין לוחות מוליכים.
• קבלי זכוכית
• קבלי ריק
• קבלי מיקה
• קבלי נייר
• סופר קבלים (המשמשים כסוללות נטענות)

מתח מקסימלי

לקבל מעשי יש מגבלה על המתח שבו יכול החומר הדיאלקטרי שלו לעמוד לפני שהוא מוליך זרם. לכל החומרים המבודדים יש גבול עליון למתח המופעל בין שתי נקודות שלהם, הנקרא מתח פריצה (breakdown voltage). דוגמה טובה לכך היא אוויר. אויר הוא אכן מבודד, אבל בנסיבות מסוימות הוא יכול להזרים זרם. זה בדיוק מה שקורה בזמן מכת ברק. לאחר חריגה מעוצמת מתח הפריצה, האוויר מתיינן, כלומר אלקטרונים נקרעים מגרעין האטום ומתחילים לנוע בהשפעת השדה החשמלי – זהו זרם חשמלי. על מנת למנוע נזק או אפילו הרס מוחלט לקבל, חשוב מאוד לא לחרוג מהמתח המרבי שלו. החוזק הדיאלקטרי של אוויר הוא כ-3 מגה-וולט למטר. לשם השוואה, החוזק הדיאלקטרי של נציץ הוא בערך 120 MV/m – פי 40. בחירת החומר הדיאלקטרי חשובה מאוד ביישומים מסוימים שבהם צפויים מתחים גבוהים או כאשר העובי של החומר הדיאלקטרי קטן מאוד.

מעגל תמורה לקבל

מעגל תמורה של קבל מעשי

הקבל כרכיב "מן המדף" לשימוש במעגל חשמלי אינו קבל אידיאלי. משמאל נתונה סכימה חשמלית של מעגל תמורה של קבל מעשי. בנוסף לקיבול C יש זרם זליגה דרך החומר הדיאלקטרי המיוצג על ידי הנגד המקבילי (R-leakage). כמו כן, המבנה הפיזי של הקבל והמוליכים אל הדקיו ומהם גורמים הן להשראות טורית והן להתנגדות טורית המיוצגות על ידי המשרן (L-series) והנגד (R-series) בהתאמה.

הערכים הטיפוסיים לכל השלושה תלויים בטכנולוגית הקבל. לדוגמה, לקבלים קרמיים זרם זליגה אפסי המתבטא בערך של מאות או אלפי מגה-אוהם לנגד ה-R-leakage. לקבל כזה, ההשראות הטורית היא מסדר גודל של ננו-הנרי בודדים. גם ההתנגדות הטורית נמוכה – מסדר גודל של מילי־אוהם בודדים.

גורם ה-Q

גורם Q של קבל (באנגלית: Q-Factor), הידוע גם כגורם האיכות, או פשוט Q, מייצג את היעילות של קבל נתון במונחים של הפסדי אנרגיה. גורם ה־Q מוגדר כ:

$Q_{C}={\frac {X_{C}}{R_{C}}}={\frac {1}{\omega _{0}CR_{C}}}$

כאשר $Q_{C}$ הוא גורם האיכות, $X_{C}$ הוא ההיגב הקבל, $C$ הוא קיבול הקבל, $R_{C}$ הוא ההתנגדות הטורית השקולה (ESR – equivalent series resistance) של הקבל, ו-$\omega _{0}$ הוא התדר ברדיאנים שבו עורכים את המדידה.

מונח קשור, הנקרא גורם הפיזור (DF - Dissipation Factor), מוגדר לפעמים בגיליונות נתונים של קבלים במקום ה-Q-factor. במעגלי AC, ה-DF הוא פשוט הערך ההופכי של Q.

במערכות AC, גורם ה-Q מייצג את היחס בין האנרגיה האצורה בקבל לבין האנרגיה המתפזרת כהפסדים תרמיים בהתנגדות הטורית השקולה. לדוגמה, לקבל שמסוגל לאגור 2,000 ג'אול של אנרגיה תוך הפסד של ג'אול אחד בלבד יש גורם-Q של 2,000, מכיוון ש-Q הוא מדד היעילות.

ערך ה־Q של קבל אידיאלי יהיה אינסוף, כלומר ללא אובדן אנרגיה. דבר זה נגזר מהעובדה שה-ESR של קבל אידיאלי שווה לאפס.

גורם ה־Q אינו ערך קבוע. הוא משתנה באופן משמעותי עקב התדירות משתי סיבות. הסיבה הראשונה היא האיבר $\omega _{0}$ הברור במשוואה לעיל. הסיבה השנייה היא ש-ESR אינו ערך קבוע ביחס לתדר. ה-ESR משתנה בהתאם עקב אפקט העור (Skin effect), כמו גם השפעות אחרות הקשורות למאפיינים הדיאלקטריים ולנגד הזליגה המקבילי.

ברוב היישומים לא חייבים לקחת את גורם ה-Q בחשבון, וניתן להשתמש בקבלים סטנדרטיים. עם זאת, גורם ה-Q הוא אחד ממאפייני הקבל החשובים ביותר בתכנון מעגלי RF. בתדרים כאלו, ה-ESR עולה עם התדירות עקב אפקט העור. יחד עם העלייה ב-ESR, הפסדי הפיזור גדלים גם כן. לכן במעגלי RF משתמשים בדרך כלל בקבלים בעלי Q גבוה כדי להפחית הפסדים בתדר גבוה.

יישומים טיפוסיים הדורשים קבלים בעלי Q גבוה הם יישומי התאמת עכבה חשמלית לסלילי הדמיה של MRI המשמשים בסורקי MRI ויישומים אחרים שצריכים להיות מכווננים במדויק בתדרים גבוהים יותר. ביישומים מסוימים, ההפסדים בקבל עצמו יכולים להיות גבוהים מספיק כדי להעלות את הטמפרטורה עד כדי התכה של הלחמה במעגל מודפס, וזו הסיבה שחייבים להשתמש בקבלים בעלי Q גבוה ביישומים כאלה. גם אם עליית הטמפרטורה אינה כה דרסטית, היא עדיין יכולה להשפיע על משך השימוש של רכיבים שכנים אחרים במעגל. סיבה נוספת להשתמש בקבלים בעלי Q גבוה היא הרעש התרמי המופחת. לכל הקבלים האמיתיים יש ESR גדול מאפס, והתנגדות זו יוצרת רעש תרמי נוסף. ביישומים כגון מקלטי אות לווין, רמות הרעש הן קריטיות ומשתמשים בקבלים בעלי Q גבוה על מנת לשמור על יחס האות לרעש הרצוי.

גליונות נתונים בדרך כלל מצטטים את גורם ה-Q בתדר אחד או יותר. התדר הסטנדרטי המשמש במדידות גורם Q הוא 1MHz. עם זאת, מכיוון שגורם ה-Q משתנה מאוד עם התדר, גורם ה-Q שניתן ב-1MHz אינו קירוב טוב של גורם ה-Q, למשל ב-2GHz.

קבלים טובים עם Q גבוה יכולים להיות בעלי ערך Q של מעל 10,000 ב-1MHz ומעל 1,000 ב-100MHz, בעוד שלקבלים סטנדרטיים יכול להיות מקדם Q נמוך עד 50 ב-1kHz. ההבדל בין קבל High-Q לבין קבל סטנדרטי הוא בעיצוב בפועל של הקבל, כמו גם בחומרים בהם משתמשים. בקבל כזה כל החיבורים נשמרים קצרים ככל האפשר כדי להפחית את ההתנגדות, והם עשויים מחומרים בעלי התנגדות נמוכה כגון נחושת או אפילו כסף. יצרני הקבלים בעלי ה-Q הגבוה בונים קבלים של שבבים קרמיים רב-שכבתיים, שהם קטנים ויציבים, בעלי משך שימוש ארוך, דיוק רב ויציבות רבה לאורך זמן, אך מוגבלים לרוב לכמה עשיריות של פיקופארד. קבלים כאלה יכולים לשמש בתדרים של עד 20GHz, מספיק עבור רוב יישומי ה-RF.

בתדרים נמוכים יותר, למשל ביישומי אודיו, ניתן להשתמש בקבלי טנטלום כקבלים בעלי Q גבוה. הם מציעים ESR נמוך בתדרים גבוהים מספיק ויכולים להוות חלופה אם יש צורך בקיבולים גבוהים יותר, עד 1mF.

סוגי קבלים בשימוש – על פי ההרכבה

• קבלים להשמה משטחית – יכולים להיות מכל אחד מהסוגים לעיל, ראו טכנולוגיית השמה משטחית (SMT).
• קבלי להשמה בקדחים – אקסיאליים או רדיאליים
• קבלים משתנים
• קבלי מעבר (מותאמים למעבר לתוך מארזי מתכת סגורים)
• קבלי דיסק

שימוש

קבלים משמשים בהנדסת חשמל לצרכים שונים ומגוונים, ובכלל זה:

• בהתקנים ההופכים זרם חילופין לזרם ישר
• כאלמנטים של זיכרון, בשל יכולתם לאגור מטען
• כדי לקבוע את התנהגות מעגל חשמלי במישור התדר והזמן – למשל במעגל תהודה, מתנד ומעגל השהייה
• במיקרופונים – לשם הפיכת גלי קול לאות חשמלי
• כתחליפים זמניים לסוללה
• כמייצבי מתח
• לפיצוי על התנהגות "סלילית" (השראותית) של עומסים במתח רשת
• ליצירת מופע נוסף של מתח רשת במנוע חשמלי לזרם חילופין המחובר למתח חד-פאזי

מכשירים חשמליים נפוצים

במכשירים רבים משתמשים ביכולת של חלק מהקבלים לפרוק את המטען בפרק זמן קצר:

• מבזק מצלמה
• קוטל יתושים ידני

ראו גם

• מעגל RC
• מעגל RLC
• חשמל סטטי
• מחולל ואן-דה-גראף

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא קבל בוויקישיתוף

• קבל, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• איך הקבל עובד – מאתר של ElectroBOOM
• https://connect.kemet.com:7667/gateway/IntelliData-ComponentDocumentation/1.0/download/datasheet/C0201C101K3GACTU.pdf
• https://eepower.com/capacitor-guide/fundamentals/