LE – Capacitores Física Eletricidade (EM e EC) Prof.Juracyr – 2016 – FACP
facpengenharia2015@googlegroups.com ELETRICIDADE
Capacitores surgiram da necessidade de armazenar cargas elétricas para usa-las futuramente de maneira flexível quando houver resistência em seus terminais. Capacitor é um componente eletrônico capaz de armazenar carga elétrica, ao ser ligado em uma fonte de tensão, o capacitor possui dois terminais para sua polarização (o terminal maior é positivo e o menor é negativo), dentro do capacitor os terminais são conectados por placas metálicas, geralmente de alumínio, separados por um material dielétrico. Esse material dielétrico pode ser de diversos materiais, como cerâmica, teflon, mica, porcelana, celulose, milar e até ar. Dielétrico é o material isolante que é capaz de se tornar condutor quando submetido a determinado valor de campo elétrico, essa mudança de estado (isolante para condutor) acontece quando o campo elétrico é maior que a rigidez dielétrica do material, ou seja, até os materiais isolantes podem conduzir quando submetidos a determinado valor de cargas elétricas.
Capacitância
O material dielétrico usado o capacitor determina a melhor ocasião para aplicação do capacitor. Capacitância é a quantidade de carga elétrica que um capacitor é capaz de armazenar. A capacitância é medida em Farad, cuja abreviação é o F. A Capacitância é determinada pelas dimensões das placas, diretamente proporcional à área (quanto mais carga, mais intenso o campo elétrico) e inversamente proporcional à espessura do dielétrico (Porque o campo elétrico é inversamente proporcional à área). A Capacitância é dada por: C = Q/V, onde:
C = capacitância, medida em Farad (F).
Q = caragas elétricas, medida em Coloumb (C).
V = tensão, medida em Volt (V).
Como funciona o capacitor
Como dito anteriormente, o capacitor tem como sua principal característica o acumulo de cargas elétricas em duas placas que são separadas por um material dielétrico. Elas placas ficam muito próximas uma das outras. Como são cargas opostas elas se atraem, ficando armazenadas na superfície das placas mais próximas do isolante dielétrico. Devido a essa atração, é criado um campo elétrico entre as placas, através do material dielétrico do capacitor. A energia que o capacitor armazena advém do campo elétrico criado entre as placas. É, portanto, uma energia de campo eletrostático.
Capacitores.
Existem variações nos modelos dos capacitores, para se adequarem a diferentes utilizações. Como dito anteriormente, o material dielétrico influencia na situação a qual o capacitor será usado. São dispositivos encontrados facilmente em circuitos eletrônicos, e outros lugares como, por exemplo:
Sensores;
Osciladores;
Filtros de ruídos em sinais de energia;
Absorver picos e preencher vales em sinais elétricos;
Divisor de frequência em sistemas de áudio;
Armazenamento de carga e sistemas de flash em câmeras fotográficas;
Em conjuntos de transistores em memórias DRAM;
Como baterias temporárias e som automotivo (mega capacitor);
Laser de alta potencia (banco de capacitores);
Radares (banco de capacitores);
Aceleradores de partículas (banco de capacitores);
Sintonizadores de rádio (capacitor variável);
No start de motores de portão eletrônico (capacitor de partida);
Em fontes de alimentação;
Umas das principais aplicações dos capacitores é a de separar as correntes alternada e contínua quando estas se apresenta simultaneamente. Em corrente contínua (CC) o capacitor se comporta como um Circuito Aberto, e em corrente alternada (CA) o capacitor se comporta como uma resistência.
A diferença entre o capacitor e a bateria é que o capacitor é muito mais simples. O capacitor armazena a energia, enquanto a bateria produz energia através de processos químicos e a armazena.O Capacitor é muito mais rápido no processo de descarga da energia acumulada, em comparação com baterias, além de serem aplicados em ocasiões onde a bateria não tem aplicação, como, por exemplo, dividir frequências e suavizar sinais elétricos.
Parte 1
1) Um capacitor de placas paralelas, a ar, deve Ter a capacitância de 1F. Se a distância entre as placas for 1mm, calcular a área superficial de cada placa.
2) Um capacitor a ar é constituído por duas placas paralelas, cada qual com uma área de 7,6 cm2, separadas por uma distância de 1,8mm. Se uma diferença de 20V for aplicada a essas placas, calcular, a) campo elétrico entre as placas, b) densidade de carga superficial, c) capacitância e d) a carga em cada placa.
3) A energia de um capacitor de 12F é 130J. Determinar, a carga do capacitor e a diferença de potencial do capacitor.
4) Um capacitor de placas paralelas, de 16 pF, está carregado por uma bateria de 10V. Se cada placa do capacitor tiver uma área de 5cm2, qual a energia no capacitor? Qual a densidade de energia (energia por unidade de volume) no campo elétrico do capacitor, caso haja ar entre as placas?
5) Determinar a) a capacitância e b) voltagem máxima que pode ser aplicada a um capacitor de placas planas e paralelas, com dielétrico de teflon, sendo a área das placas 175cm2 e 0,04mm a espessura do isolante (k=2,1).
capacitância, A a área das placas, d a distância entre elas e a permissividade do isolante (0 seria a do vácuo), colocado entre as placas.
No desenho acima, já ilustrei o dielétrico (isolante) entre as placas do capacitor. A pergunta é sobre o efeito da introdução do dielétrico no campo elétrico. Vejamos.
Ao se introduzir um isolante, além do campo elétrico entre as placas do capacitor, é criado um outro! As moléculas sofrem um processo de
polarização: se orientam, conforme a figura, com separação de cargas! ( ver figura 10: As positivas, no sentido do campo das placas e as negativas no sentido contrário.
Atende ao detalhe das extremidades: tracejei, de vermelho. À direita, o excesso de cargas positivas no isolante. À esquerda, o contrário. Pela convenção da Física, o campo elétrico “sai do mais e chega no menos”.
Temos, então, a soma de dois vetores, campos
elétricos: o antes, entre as placas, e o novo, devido ao isolante. O resultado é um campo resultante, ERes, menor que o anterior.
V (v) V4
V3 V2 V1
4
Q3
Q2
Q1
C
E
E E
Re s
E
Parte 2
1) Um capacitor de 6 F está ligado a uma bateria de 12V conforme o esquema seguinte.
Calculando o valor da carga elétrica armazenada no capacitor, encontramos:
a) 72C . b) 72C. c) 2C. d) 2.10 6 C.
gabarito: a
2.Um capacitor é feito de duas placas condutoras, planas e paralelas, separadas pela distância de 0,5 mm e com ar entre elas.
A diferença de potencial entre as placas é de 200 V. Substituindo-se o ar contido entre as placas por uma placa de vidro, de constante dielétrica cinco vezes maior do que o do ar, e permanecendo constante a carga das placas, qual será a diferença de potencial nessa nova situação?
a) 8 V. b) 40 V. c) 1.000 V. d) 25.000 V.
Gabarito: b
3.Um capacitor de placas planas e paralelas é totalmente carregado utilizando-se uma fonte de 12 volts em três situações diferentes. Na situação A, ele permanece vazio. Em B, um dielétrico preenche metade do volume entre as placas e, em C, o mesmo dielétrico preenche todo o volume entre as placas.
Assim, com relação às cargas acumuladas, é CORRETO afirmar que:
a) as cargas em A, B e C terão o mesmo valor.
b) A terá a maior carga e C, a menor.
c) A terá a menor carga e C, a maior.
d) B terá a maior carga e A, a menor.
Gabarito: c (quanto melhor o isolamento entre as placas, maior a capacitância e maior a carga acumulada)
+ 12
V
-
-
5) Duas placas metálicas paralelas Q e P, isoladas, são eletrizadas com uma carga de 1,0x10 C, uma negativamente e a outra, positivamente. A diferença de potencial entre elas vale 100 V.
a) DETERMINE a energia elétrica armazenada nas placas.
b) Considere que um resistor de 50 é usado para ligar uma placa à outra. À medida que as placas se descarregam, a intensidade da corrente elétrica no resistor aumenta, diminui, ou não se altera? JUSTIFIQUE sua resposta.
c) DETERMINE a quantidade total de calor liberado no resistor durante o processo de descarga das placas.
Gabarito a) 5.10-6 J b) À medida que o capacitor se descarrega, menos carga, menos corrente... Da fórmula, Q = CV, se a capacitância se mantém constante, a voltagem diminui quando a carga diminui. E, da Lei de Ohm, U=R.i, menos voltagem, menos corrente. c) Como a energia se conserva, toda a energia armazenada no capacitor será convertida em calor por Efeito Joule: 5,0.10 – 6 J.
Parte 3
1 – Se a carga em um capacitor é 14,5 µC quando a diferença de potencial através dele é 25 V, qual é sua capacitância? R: 0,58 µF.
2 – Suponha que se deseje construir um capacitor de placas planas paralelas de 1 F, no qual a separação das placas seja de 10 mm. Se as placas são quadradas e têm o vácuo entre elas, qual deve ser o comprimento de seus lados? R:
34 km.
3. – Um capacitor de 2,4 µF está ligado em paralelo com um capacitor de 3,1 µF; a combinação é então carregada com uma bateria de 6,1 V. (a) Qual é a capacitância equivalente da combinação? R: 5,5 µF. (b) Qual é a diferença de potencial através de cada capacitor? R: 6,1 V. (c) Qual é a carga em cada capacitor? R: 15 µC, 19 µC.
4 – Um capacitor de 1,0 µF é carregado com uma bateria de 10 V. (a) Qual é a energia do capacitor? R: 50 µJ. (b) Qual é a energia do capacitor se ele é carregado com uma bateria de 20V? R: 200 µJ.
5 – Qual é a capacitância de um capacitor de placas paralelas com 0,024 m2 de área de placas e 0,26 mm de separação entre as placas, que tem o neoprene (const. dielétrica = 6,8) no espaço entre as placas? Despreze os efeitos de bordas. R: 5,6 nF.
6 – Suponha que se deva projetar um capacitor de placas paralelas que tenha uma capacitância de 3,6 nF e uma diferença de potencial operacional máxima de 4 x 104 V. Além disso, o material dielétrico entre as placas deve ser o poliestireno (K = 2,6, Emax = 25 × 106 V/m). Qual é a área mínima de placas que se pode usar? R: 0,3 m2. Você sabia: Quando ligamos um interruptor de luz, a luz aparece quase instantaneamente, mesmo que a velocidade de arraste dos portadores no fio seja de apenas 10-4 m/s.
