Relatório 1 - FE3 - Capacitores

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ENGENHARIA QUÍMICA
FÍSICA EXPERIMENTAL III
ELETROSTÁTICA - CAPACITORES
Eduane Tavares de Melo;
Esther Lopes Vieira;
Fabio Roberto de Souza Botelho;
Gabriella Melo Nogueira;
Gabriella Rocha Queiroz de Oliveira;
Giovanna Assis de Souza.
RIO VERDE, GO
2021
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA GOIANO -
CAMPUS RIO VERDE
ENGENHARIA QUÍMICA
FÍSICA EXPERIMENTAL III
ELETROSTÁTICA - CAPACITORES
Eduane Tavares de Melo;
Esther Lopes Vieira;
Fabio Roberto de Souza Botelho;
Gabriella Melo Nogueira;
Gabriella Rocha Queiroz de Oliveira;
Giovanna Assis de Souza.
Relatório de experimento apresentado
ao Instituto Federal Goiano – Campus
Rio Verde, como requisito parcial da
disciplina de Física Experimental III.
Orientador: Prof. Dr. Gustavo Quereza
RIO VERDE, GO
OUTUBRO, 2021
RESUMO
Capacitores são componentes passivos capazes de armazenar energia na forma de
carga elétrica formando um campo eletrostático.
Sua estrutura consiste em placas paralelas feitas de metais condutores (alumínio,
tântalo, prata) acopladas a um isolante elétrico, também chamado de dielétrico, que pode ser
produzido de diversos materiais, como papel, vidro, borracha, cerâmica entre outros, contanto
que impeça o fluxo da corrente. Pois é devido ao fluxo de corrente impedido que se forma
uma tensão elétrica presente nas placas do capacitor.
Quando ligado a uma fonte de tensão, ela força os elétrons para um lado e retira de
outro formando os pólos positivos e negativos, que podem fluir através do dielétrico por ser
um isolante, há uma quantidade definida de elétrons para carregar o capacitor, por este fator
diz-se que ele tem uma capacitância.
A capacitância é dada por Farads (F), unidade utilizada para demonstrar a quantidade
de energia armazenada no capacitor, sua medida depende dos fatores de área das placas,
distância entre as placas e constante dielétrica do material entre as placas.
Define-se que quanto menor o espaço entre as placas metálicas maior é a capacitância
que o dispositivo pode armazenar. Com isso a principal função de um capacitor pode ser
definida por descarregar as mesmas, para o entendimento de seu funcionamento utilizaremos
o software de simulações físicas PHET onde abordará todas grandezas físicas envolvidas no
processo.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO 5
OBJETIVO 6
MATERIAIS E MÉTODOS 7
RESULTADOS E DISCUSSÕES 8
CONCLUSÃO 9
REFERÊNCIAS 10
1 INTRODUÇÃO
1.1 O QUE É UM CAPACITOR
Um capacitor é um elemento elétrico passivo que acumula energia na forma de campo
eletrostático. em sua estrutura, o capacitor possui 2 placas condutoras alienadas pelo dielétrico
(um material isolante). As placas de metal são colocadas muito próximas umas das outras, em
paralelo, mas o dielétrico fica entre elas para garantir que não se toquem. Produzindo uma
diferença de potencial, também chamada de tensão estática, em suas placas, como uma
pequena bateria recarregável.
As placas são feitas de um material condutor: alumínio, tântalo, prata entre outros
metais. Cada uma delas conectada a um fio terminal, que é o que eventualmente se conecta ao
resto do circuito.
O dielétrico, por sua vez, pode ser feito de todos os tipos de materiais isolantes: papel,
vidro, borracha, cerâmica, plástico ou qualquer coisa que impeça o fluxo de corrente.
Devido a esta camada isolante, a corrente CC não pode fluir através do capacitor, pois
ela o bloqueia, permitindo que a tensão elétrica esteja presente nas placas na forma de uma
carga elétrica.
O material do dielétrico tem efeito sobre a quantidade de Farads, dependendo do tipo
de dielétrico, indica o tipo de capacitor, e qual seu uso específico, além da forma a ser
utilizado e do tamanho para a aplicação de aparelhos de alta tensão ou alta frequência.
Os capacitores são fabricados para uma variedade de produtos; alguns capacitores são
tão pequenos que são feitos para produtos como calculadoras, enquanto outros
supercapacitores são fabricados para serem incorporados no barramento do computador.
1.2 Como funciona um capacitor?
A corrente elétrica é o fluxo de carga elétrica. Quando a corrente flui para um
capacitor, as cargas ficam "presas" nas placas porque não conseguem passar pelo dielétrico
isolante. Os elétrons são sugados para dentro de uma das placas, e ela fica totalmente
carregada negativamente. A grande massa de cargas negativas em uma placa, faz com que a
outra seja carregada positivamente.
As cargas positivas e negativas em cada uma dessas placas se atraem. Mas, com o
dielétrico entre eles, por mais que queiram se juntar, as cargas ficarão presas na placa até
encontrarem um novo destino
O campo elétrico criado, que influencia a energia potencial elétrica e a tensão. Quando
as cargas se agrupam em um capacitor a energia elétrica é armazenada da mesma forma que
uma bateria pode armazenar energia química.
Em algum momento, as placas do capacitor ficarão tão cheias de cargas que não
poderão mais aceitar carga elétrica . De modo que a capacitância (Farads) de um capacitor
entra em ação, informando a quantidade máxima de carga que o capacitor pode armazenar. Se
um caminho no circuito for criado, as cargas deixarão o capacitor e ele se descarregará .
Quando usado em uma corrente contínua, um capacitor carrega até sua tensão de
alimentação, mas bloqueia o fluxo de corrente através dele porque o dielétrico de um
capacitor é não condutor. No entanto, quando um capacitor é conectado a uma corrente
alternada, o fluxo da corrente parece passar direto pelo capacitor com pouca resistência.
O fluxo de elétrons nas placas é conhecido como corrente de carga dos capacitores,
que continua a fluir até que a tensão em ambas as placas seja igual à tensão aplicada.
A força ou taxa desta corrente de carga está em seu valor máximo quando as placas estão
totalmente descarregadas (condição inicial) e reduz lentamente em valor a zero conforme as
placas carregam até uma diferença de potencial entre as placas dos capacitores igual à tensão
da fonte.
A quantidade de diferença de potencial presente no capacitor depende de quanta carga
foi depositada nas placas pelo trabalho que está sendo feito pela tensão da fonte e também de
quanta capacitância o capacitor tem.
1.3 Capacitores de placa paralela
O capacitor de placa paralela é a forma mais simples de capacitor. Pode ser construída
com duas placas metálicas ou metalizadas a uma distância paralela entre si, com seu valor de
capacitância em Farads, sendo fixada pela área de superfície das placas condutoras e pela
distância de separação entre elas. A alteração de quaisquer dois desses valores altera o valor
de sua capacitância e isso forma a base de operação dos capacitores variáveis.
Além disso, como os capacitores armazenam a energia dos elétrons na forma de uma
carga elétrica nas placas, quanto maiores as placas e menor sua separação, maior será a carga
que o capacitor mantém para qualquer voltagem dada em suas placas.
A energia dentro da carga é armazenada em um “campo eletrostático” entre as duas
placas. Quando uma corrente elétrica flui para o capacitor, ele se carrega, de modo que o
campo eletrostático se torna muito mais forte à medida que armazena mais energia entre as
placas.
Da mesma forma, conforme a corrente flui para fora do capacitor, descarregando-o, a
diferença de potencial entre as duas placas diminui e o campo eletrostático diminui à medida
que a energia se move para fora das placas.
1.4 Capacitância
Capacitância é a propriedade elétrica de um capacitor, de armazenar uma carga elétrica
em suas duas placas, podendo também ser chamada de medida da capacidade. A unidade de
capacitância é o Farad (abreviado para F) em homenagem ao físico britânico Michael
Faraday.
A capacitância é definida como sendo que: um capacitor tem a capacitância de Um
Farad quando uma carga de Um Coulomb é armazenada nas placas por uma voltagem de Um
volt. A capacitância C sempre tem valor positivo e não tem unidades negativas. No entanto, o
Farad é uma unidade de medida muitogrande para ser usada sozinha, então submúltiplos do
Farad são geralmente usados, como micro-farads, nano-farads e pico-farads
Unidades Padrão de Capacitância
· Microfarad (μF) 1μF = 1 / 1.000.000 = 0,000001 = 10 -6 F
· Nanofarad (nF) 1nF = 1 / 1.000.000.000 = 0,000000001 = 10 -9 F
· Picofarad (pF) 1pF = 1 / 1.000.000.000.000 = 0,000000000001 = 10 -12 F
Assim como o tamanho geral das placas condutoras e sua distância ou espaçamento
entre si, outro fator que afeta a capacitância geral do dispositivo é o tipo de material dielétrico
que está sendo usado. Em outras palavras, a “Permissividade” ( ε ) do dielétrico.
Os vários materiais isolantes usados como dielétrico em um capacitor diferem em sua
capacidade de bloquear ou transmitir uma carga elétrica. Este material dielétrico pode ser
feito de vários materiais isolantes ou combinações desses materiais, sendo os tipos mais
comuns usados: ar, papel, poliéster, polipropileno, Mylar, cerâmica, vidro, óleo ou uma
variedade de outros materiais.
O fator pelo qual o material dielétrico, ou isolante, aumenta a capacitância do
capacitor em comparação com o ar é conhecido como Constante Dielétrica , k e um material
dielétrico com uma constante dielétrica alta é um isolante melhor do que um material
dielétrico com uma constante dielétrica mais baixa . A constante dielétrica é uma quantidade
adimensional, pois é relativa ao espaço livre.
1.5 Permissividade Complexa
Se tomarmos a permissividade do espaço livre, ε o como nosso nível de base e
torná-lo igual a um, quando o vácuo do espaço livre é substituído por algum outro tipo de
material isolante, a permissividade de seu dielétrico é referenciada a o dielétrico de base do
espaço livre dando um fator de multiplicação conhecido como “permissividade relativa”, ε r .
Assim, o valor da permissividade complexa, ε será sempre igual à permissividade relativa
vezes um.
As unidades típicas de permissividade dielétrica, ε ou constante dielétrica para
materiais comuns são:
· Vácuo puro = 1,0000,
· Ar = 1,0006,
· Papel = 2,5 a 3,5,
· Vidro = 3 a 10,
· Mica = 5 a 7,
· Madeira = 3 a 8
· Óxido de Metal Pós = 6 a 20 etc.
1.6 Capacitância de um capacitor de placa paralela
A capacitância de um capacitor de placa paralela é proporcional à área, A em metros 2
da menor das duas placas e inversamente proporcional à distância ou separação, d (isto é, a
espessura dielétrica) dada em metros entre essas duas placas condutoras.
A equação generalizada para a capacitância de um capacitor de placa paralela é dada como: C
= ε (A / d) onde ε representa a permissividade absoluta do material dielétrico sendo usado. A
constante dielétrica, ε o também conhecida como “permissividade do espaço livre” tem o
valor da constante 8,84 x 10 -12 Farads por metro.
Geralmente, as placas condutoras de um capacitor são separadas por algum tipo de
material isolante ou gel, em vez de um vácuo perfeito. Ao calcular a capacitância de um
capacitor, podemos considerar a permissividade do ar, e principalmente do ar seco, como
sendo o mesmo valor do vácuo por estarem muito próximos.
A capacitância de um capacitor (quantos Farads ele possui ) informa quanta carga ele
pode armazenar. A quantidade de carga que um capacitor está armazenando atualmente
depende da diferença de potencial (voltagem) entre suas placas. Esta relação entre carga,
capacitância e tensão pode ser modelada com esta equação: Q = CV
A carga (Q) armazenada em um capacitor é o produto de sua capacitância (C) e a
tensão (V) aplicada a ele.
A capacitância de um capacitor deve ser sempre um valor constante e conhecido.
Portanto, podemos ajustar a tensão para aumentar ou diminuir a carga do limite.
1.7 Calculando a Corrente
Podemos levar a equação carga / tensão / capacitância um passo adiante para descobrir
como a capacitância e a tensão afetam a corrente, porque a corrente é a taxa de fluxo de carga.
A essência da relação de um capacitor com a tensão e a corrente é esta: a quantidade de
corrente através de um capacitor depende tanto da capacitância quanto da rapidez com que a
tensão está aumentando ou diminuindo .
Se a tensão em um capacitor aumentar rapidamente, uma grande corrente positiva será
induzida através do capacitor. Um aumento mais lento na tensão em um capacitor equivale a
uma corrente menor através dele. Se a tensão em um capacitor for estável e inalterada,
nenhuma corrente passará por ele.
1.8 Tipos de capacitores
Capacitor de cerâmica : o capacitor de cerâmica é encontrado em muitos aparelhos
que variam de rádio a RF. os capacitores de cerâmica são os capacitores mais usados; pois são
baratos, confiáveis e seu fator de perda é muito menor. Atualmente, são empregados
praticamente em todos os tipos de equipamentos elétricos. O desempenho exato de um
capacitor de cerâmica depende basicamente do tipo de dielétrico empregado. Os capacitores
cerâmicos são considerados os burros de carga do mundo dos capacitores de corrente. Os
capacitores cerâmicos podem ser obtidos atualmente em 3 tipos principais, embora estilos
adicionais também estejam disponíveis.
Capacitor eletrolítico: Este tipo de capacitor é polarizado. Esses capacitores são capazes de
oferecer valores de capacitância mais altos. As placas deste capacitor são feitas de folha de
alumínio condutor. Devido ao filme de alumínio, as placas podem ser extremamente finas e
também flexíveis. As duas placas incluídas neste capacitor são um pouco diferentes. O
primeiro é revestido com uma folha de óxido isolante e um espaçador de papel embebido em
eletrólito é posicionado entre eles, também apresentam uma alta intensidade de vazamento.
Este capacitor tem uma tolerância muito ampla.
Capacitor de tântalo: Esses capacitores são polarizados e também fornecem um valor
de capacitância extremamente alto para seu volume.Um capacitor de tântalo consiste em um
fragmento de núcleo de tântalo poroso delimitado por pentóxido de tântalo. Um cabo de
tântalo é introduzido no fragmento do núcleo e, em seguida, se expande axialmente a partir do
constituinte. O revestimento de pentóxido de tântalo é coberto com grafite, dióxido de
manganês, uma camada externa condutora de prata e, por último, solda. Desde 1960, os
capacitores de tântalo têm melhorado devido ao avanço e desenvolvimento de pós de tântalo
de carga superior, contribuindo inabalavelmente para o projeto de pequenos capacitores de
tântalo.
Capacitor variável: Um capacitor variável é uma espécie de condensador que auxilia
no acúmulo de energia gerando campos elétricos. O forte deste gadget é que a capacidade de
preservar a energia pode ser alterada
seja repetitiva ou deliberadamente por meio de métodos mecânicos ou eletrônicos. A
capacitância do capacitor variável pode ser alterada durante toda a vida útil do próprio
dispositivo. Uma estrutura mecânica é empregada no capacitor, que permite alterar o
afastamento entre os diferentes conjuntos de placas, ou especificamente, a superfície da área
da placa sobreposta, juntamente com os diodos de capacitância variável
Supercapacitores:
Os supercapacitores às vezes são chamados de capacitor elétrico de camada dupla
(EDLC) ou ultracapacitor. Eles não são compostos por nenhum dielétrico sólido tradicional.
Os super capacitores têm peso baixo e são baratos, por isso é o capacitor mais popular do
mercado atualmente. Eles são empregados na maioria dos aparelhos eletrônicos e telefones
portáteis, além de aviões e automóveis. Os supercapacitores da nova tecnologia são flexíveis e
biodegradáveis. Vantagens de um Super Capacitor:
· Sem perigo de sobrecarga
· Taxas muito altas de carga e descarga
· Alta eficiência de ciclo (95% ou mais)
· Ciclo de vida virtualmente ilimitado
· Cargas em segundos
1.9 Capacitores em série/paralelo
Muito parecido com os resistores , vários capacitores podem ser combinados em série
ou em paralelo para criar uma capacitância equivalentecombinada. Capacitores, entretanto,
somam-se de uma forma que é completamente oposta aos resistores.
Capacitores em paralelo: Quando os capacitores são colocados em paralelo uns com os
outros, a capacitância total é simplesmente a soma de todas as capacitâncias . Isso é análogo
ao modo como os resistores são adicionados quando em série.
Quando os capacitores são unidos em paralelo, a capacitância geral é o total da
capacitância do capacitor solitário. Se mais de 2 capacitores estiverem ligados em paralelo,
todo o resultado é o de um capacitor correspondente solo que tem a soma total dasuperfície da
placa do capacitor solo. Como experimentamos um aumento na superfície da placa, enquanto
outros fatores essenciais permanecem os mesmos, o resultado é um aumento na capacitância.
Capacitores em série:A capacitância total de N capacitores em série é o inverso da
soma de todas as capacitâncias inversas. Uma vez que capacitores em série são o inverso da
soma de seus inversos
Quando os capacitores são conectados em série, a capacitância total é ainda menor do que a
capacitância individual de qualquer um dos capacitores conectados em série. Se mais de dois
capacitores forem conectados em série, todo o resultado é um capacitor solitário que tem a
soma total do espaço da placa do capacitor único. Como sabemos muito bem que um aumento
no espaçamento das placas, com o resto dos fatores inalterados, resulta em queda da
capacitância. Portanto, a capacitância geral é menor do que qualquer capacitância individual
do capacitor individual.
2 OBJETIVO
Este relatório tem por objetivo, através da plataforma de simulações interativas Phet,
compreender o funcionamento de um capacitor e a diferença proporcional que as grandezas
físicas apresentadas provocam.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
O primeiro passo para realizar o experimento foi acessar o laboratório online de
capacitores no site disponível no plano de aula, o qual foi disponibilizado para o experimento
em questão, acessando a opção capacitância.
Após acessar o site começamos colocando a bateria em 1,0 V, conforme fomos
realizando o experimento fizemos as alterações necessárias para alterar a área das placas do
capacitor em: 100, 150, 200, 250 mm2 e observar os valores da capacitância, carga da placa
superior e energia armazenada, de modo que fomos alterando a distância entre as placas do
capacitor em: 2, 4, 6, 8 mm. Por fim, colocamos a bateria em -1,0 V e repetimos o processo
descrito anteriormente.
Imagem 1: Sistema utilizado no experimento
Fonte:https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab-basics_pt_BR.html
https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab-basics_pt_BR.html
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A partir do experimento realizado obteve-se os seguintes dados para a capacitância,
carga da placa superior e energia armazenada, conforme as Tabela 1, 2 e 3.
Tabela 1: Capacitância (pF)
Separação (mm)
Área (mm2)
100 150 200 250
2 0.44 / 0.44 0.66 / 0.66 0.89 / 0.89 1.11 / 1.11
4 0.22 / 0.22 0.33 / 0.33 0.44 / 0.44 0.55 / 0.55
6 0.15 / 0.15 0.22 / 0.22 0.30 / 0.30 0.37 / 0.37
8 0.11 / 0.11 0.17 / 0.17 0.22 / 0.22 0.28 / 0.28
Legenda: valor da capacitância para 1,0V / valor da capacitância para -1.0V.
Tabela 2: Carga da placa superior (pC)
Separação (mm)
Área (mm2)
100 150 200 250
2 0.44 / 0.44 0.66 / 0.66 0.89 / 0.89 1.11 / 1.11
4 0.22 / 0.22 0.33 / 0.33 0.44 / 0.44 0.55 / 0.55
6 0.15 / 0.15 0.22 / 0.22 0.30 / 0.30 0.37 / 0.37
8 0.11 / 0.11 0.17 / 0.17 0.22 / 0.22 0.28 / 0.28
Legenda: valor da carga da placa superior para 1,0V / valor da carga da placa superior para -1.0V.
Tabela 3: Energia armazenada (pJ)
Separação (mm)
Área (mm2)
100 150 200 250
2 0.22 / 0.22 0.33 / 0.33 0.44 / 0.44 0.55 / 0.55
4 0.11 / 0.11 0.17 / 0.17 0.22 / 0.22 0.28 / 0.28
6 0.07 / 0.07 0.11 / 0.11 0.15 / 0.15 0.18 / 0.18
8 0.06 / 0.06 0.08 / 0.08 0.11 / 0.11 0.14 / 0.14
Legenda: valor da energia armazenada para 1,0V / valor da energia armazenada para -1.0V.
5 CONCLUSÃO
Ao longo do experimento estudamos os capacitores e suas propriedades físicas sendo
uma das mais importantes a sua capacitância. Tal grandeza física está sujeita a uma série de
fatores como o formato do capacitor, seu material e principalmente a distância entre as placas
do capacitor.
Durante o experimento foi utilizado um capacitor de placas paralelas no vácuo cuja a
capacitância é calculada pela seguinte fórmula
O que implica que a permissividade no vácuo é diretamente proporcional à área das
placas e inversamente proporcional à distância entre elas.
Essa teoria é confirmada durante o experimento como pode ser ressaltado pelos
resultados propostos. Uma vez que observando as tabelas apresentadas, é possível concluir
que os valores da energia armazenada, da capacitância, e da carga da placa superior,
aumentarão, se a área da placa aumentar, e diminuirão, se a distância de separação entre as
placas aumentar.
6 REFERÊNCIAS
Mundo da Elétrica. Disponível em:
https://wwwa.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-um-capacitor-e-qual-a-sua-funcao/ Acesso em:
30/09/2021.
Aprendendo elétrica. Disponivel em:
https://aprendendoeletrica.com/o-que-e-um-capacitor-e-para-que-serve/ Acesso em:
30/09/2021.
Disponível online: https://www.eit.edu.au/resources/different-types-of-capacitors/ Acesso em:
30/09/2021.
Disponível online: https://learn.sparkfun.com/tutorials/capacitors/all Acesso em: 30/09/2021.
Disponível online: https://www.electronics-tutorials.ws/capacitor/cap_1.html Acesso em:
30/09/2021.
https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-um-capacitor-e-qual-a-sua-funcao/
https://aprendendoeletrica.com/o-que-e-um-capacitor-e-para-que-serve/
https://www.eit.edu.au/resources/different-types-of-capacitors/
https://learn.sparkfun.com/tutorials/capacitors/all
https://www.electronics-tutorials.ws/capacitor/cap_1.html