MATERIAIS: Kit de capacitor variável de placas paralelas Multímetro Digital Minipa Fios e conectores Régua milimetrada Placa de acrílico 1 - INTRODUÇÃO
Um capacitor é um dispositivo capaz de armazenar carga elétrica ao ser submetido a uma diferença de potencial. A energia elétrica armazenada pode ser liberada de forma controlada, tornando o capacitor um elemento com aplicações variadas, sendo encontrado na maioria dos equipamentos eletrônicos de uso cotidiano tais como televisores, computadores, flashes de máquinas fotográficas e outros. A baixa resistência interna desses elementos permite um alto valor de corrente elétrica durante um curto intervalo de tempo.
Há diferentes tipos de capacitores, dentre os quais podemos destacar os de cerâmica, poliestireno, poliéster, tântalo e o eletrolítico. As aparências de cada um desses tipos de capacitor estão ilustradas na Figura 1.
Figura 1. Capacitores utilizados em eletrônica, e um capacitor de placas planas e paralelas. Capacitores eletrolíticos são utilizados em filtros, acoplamentos em circuitos de baixa frequência ou em circuitos temporizadores. Já os capacitores de poliéster e os cerâmicos são utilizados em circuitos com altas frequências, onde as perdas devem ser mínimas e a estabilidade da capacitância é fundamental. Uma das principais aplicações de capacitores está nos motores. Isso porque a corrente na partida destes equipamentos não é suficiente para gerar movimento do rotor, sendo necessária uma fonte auxiliar de carga durante o arranque.
É importante observar que alguns capacitores eletrolíticos tem uma polaridade definida. Portanto, é preciso sempre verificar nesses casos qual dos polos é o positivo o qual o negativo. Na maioria dos casos, o polo negativo é indicado com uma marca branca no seu encapsulamento.
2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A capacitância ou capacidade elétrica é a grandeza física que mede a capacidade de
armazenamento de carga de um dispositivo capacitivo, sendo calculada pela razão
,
C =
VQem que Q representa a carga armazena e V a tensão aplicada nos terminais do capacitor. A unidade de medida de capacitância no SI é o F arad (representada pela letra F), em homenagem ao cientista inglês Michael Faraday.
Nessa prática estudaremos como a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas é influenciada pela distância entre as placas, área das placas e meio em que estão imersas. Um exemplo deste tipo de capacitor é mostrado na Figura 2, em que a área denotada pela letra A e a distância entre as placas pela letra d.
Figura 2: Capacitor de placas paralelas de área A, separadas por uma distância pequena d.
Desprezando o efeito de borda, pode-se aproximar o campo elétrico no interior das placas como sendo uniforme, possuindo intensidade dada por
E = σ
/ε
. Sendo assim, a capacitância desse sistema pode ser calculada através da seguinte expressão:C =
εAdCom isto, tem-se que a capacitância depende apenas da geometria do capacitor e do meio em que estão inseridas as placas, sendo 𝝐 a dependência da capacitância em relação ao meio. Esta variável, a permissividade elétrica (𝝐) de um meio é uma constante física que mede a capacidade que um meio tem de se polarizar em função de um dado campo elétrico aplicado. A razão entre a permissividade do meio e a permissividade do vácuo (𝝐 0) é denominada de
constante dielétrica do meio, κ =𝝐/𝝐 0. Para obtermos dispositivos de alta capacitância, no geral
precisamos (i) fazer uso de materiais de alta constante dielétrica para preencher o espaço entre os eletrodos de um capacitor, ou (ii) aumentar as dimensões do capacitor. Na Tabela 1 estão listadas as constantes dielétricas de diferentes materiais.
2 – PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
PARTE A: DEPENDÊNCIA DA ÁREA DAS PLACAS
2.1 - Meça as dimensões físicas das duas placas circulares e da placa quadrada da bancada disponíveis na bancada.
2.2 - Meça o valor de capacitância do capacitor de placas variáveis com as duas placas circulares pequenas, grandes e quadradas distanciadas de 3 mm. Para cada par de armaduras, ajuste a escala de distâncias para marcar uma distância nula quando as placas estão encostadas.
2.3 - Compare os três valores medidos e comente o resultado.
PARTE B: DEPENDÊNCIA DA DISTÂNCIA ENTRE AS PLACAS 2.4 - Fixe a placa circular de maior raio no capacitor variável.
2.5 - Varie a distância entre as placas do capacitor de 1 mm até 1 cm. Utilize passos de 1mm. Monte uma tabela com a capacitância para cada valor de distância.
2.6 - Produza um gráfico com os dados colhidos. Você observará que o valor de capacitância não tenderá a 0F, mas sim a um valor de capacitância parasita Cp. Determine Cp.
2.7 - Considerando que a capacitância medida no multímetro corresponde ao valor C med= C+Cp. Trace um gráfico de 1/C versus d. Comente o resultado e proponha uma curva de ajuste. PARTE C: INFLUÊNCIA DO MATERIAL DIELÉTRICO
2.8 - Posicione as armaduras circulares pequenas do capacitor bem proximas entre si. A seguir posicione folhas de papel no espaço compreendido entre elas e verifique a mudança de medida
3.2- Cite possíveis origens da capacitância parasita Cp.
APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS EM RELATÓRIO:
Cada grupo deve entregar um relatório contendo a descrição do procedimento
experimental realizado, resultados obtidos e respostas aos questionamentos feitos ao longo do roteiro do experimento. O relatório deve conter as seguintes seções:
● Resumo;
○ Descrever sucintamente o experimento realizado. ● Introdução;
○ Apresentar uma motivação e contextualização do experimento
○ Apresentar uma breve introdução teórica com todas as equações e fundamentos físicos a serem utilizados ao longo da discussão dos resultados.
realizadas.
● Resultados e discussões;
○ Apresentar todos as tabelas, gráficos e imagens solicitados ao longo do roteiro, assim como as respostas aos questionamentos levantados.
● Conclusão;
○ Retomar os resultados mais significativos encontrados.
○ Elencar que conclusões podem ser formuladas ou que novos conhecimentos puderam ser adquiridos a partir da realização do experimento.
○ Apresentar críticas construtivas, sugestões e comentários a respeito do experimento.
● Referências bibliográficas.
INSTRUÇÕES E AVISOS IMPORTANTES PARA A PRODUÇÃO DO RELATÓRIO
● Todas as equações a serem utilizadas ao longo das discussões devem estar expostas e numeradas na introdução teórica.
● Tirar suas próprias fotos de materiais e montagens para a seção de descrição experimental.
● Todas as figuras e tabelas devem estar numeradas e acompanhados de legendas. Todas elas devem estar referenciadas no texto do relatório.
● A seção de ‘Resultados e discussões’ deve ser dividida conforme o roteiro do experimento.
● Expor o raciocínio e cálculos realizados para chegar em cada resultado apresentado no laboratório.
● Evitar conclusões vagas/genéricas do tipo ‘O experimento concordou com a teoria.’. Se isso ocorreu, detalhe em quais casos houve melhor/pior acordo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
1. Leonardo Mota, Caderno de roteiros dos experimentos de Física Geral II
