Relatório Física Capacitores

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
FACULDADE DE FILOSOFIA, LETRAS E CIÊNCIA DE RIBEIRÃO PRETO
DEPARTAMENTO DE COMPUTAÇÃO E MATEMÁTICA
Capacitores
Ribeirão Preto
2021
1. História e Evolução do Capacitor
A origem do Capacitor está associada com a Garrafa de Leyden, dispositivo
primitivo capaz de armazenar energia elétrica. A Garrafa de Leyden tinha o
formato inicial de uma garrafa de bico longo parcialmente preenchida com
água e com um fio condutor que saia da rolha da garrafa.
O desenvolvimento do tubo a vácuo contribuiu com a evolução do capacitor,
que por sua vez, facilitou o desenvolvimento de dispositivos de rádio por
longa distância.
2. A Física de um Capacitor
Um Capacitor é constituído por duas placas paralelas, a uma distância d,
carregada por cargas elétricas opostas, Q+ e Q- . Esse arranjo, com valor
absoluto de carga semelhante, mas com sinal contrário, é conceitualmente
definido como capacitor de placas paralelas.
As superfícies internas do capacitor são consideradas como planos
carregados, e a sua superposição cria um campo elétrico resultante de Q+
para Q-
2.1 Capacitância
É uma grandeza física utilizada para medir a quantidade de dentro de
um capacitor ou utilizada para medir a quantidade máxima de cargas
que um capacitor consegue armazenar, para uma determinada
diferença de potencial específica.
É calculada pela seguinte fórmula:
Também é possível encontrar a capacitância usando a fórmula que
relaciona área e a distância entre suas placas.
2.2 Associação de capacitores em série:
Em um associação de capacitores em série, conectam-se dois ou mais
capacitores em um mesmo fio, nesse caso, o terminal positivo de um
capacitor é conectado a um terminal negativo de outro capacitor. Nessa
situação a capacitância total obtida é: multiplicação das capacitâncias
dividido pela soma dessas mesmas capacitâncias:
Também é possível encontrar a capacitância de uma maneira mais fácil, a
partir da multiplicação das capacitâncias dividida pela soma dessas mesmas
capacitâncias:
Exemplo: Se temos 3 capacitores em série com as seguintes capacitâncias: 4
Faraday, 6 Farad e 7 Farad
A vantagem de se usar capacitores em paralelo é que a voltagem máxima
suportada pelos capacitores é aumentada, ou seja, e o capacitor de 4F suporta no
máximo 30V e o de 6F suporta 37V e o de 7F suporta no máximo 45V, a voltagem
máxima que pode ser colocada no circuito a fim de que os capacitores não queimem
é a soma das voltagens máximas suportadas pelos 3 capacitores em seus terminais.
No exemplo 112V.
2.3 Associação de capacitores em paralelo:
Em uma associação de capacitores em paralelo ligam-se dois ou mais
capacitores em um circuito, de maneira que eles ficam ligados de forma
paralela um para o outro, ou seja, o terminal positivo de um capacitor ligado
diretamente a um terminal positivo de outro de outro capacitor e o terminal
negativo de um capacitor ligado diretamente a um terminal negativo de outro
capacitor
3. O Experimento
3.1. Objetivo
O Objetivo do experimento é determinar algumas das características
de um capacitor, tal como valor de capacitância desconhecidas, carga e
descarga, associação em série e em paralelo, armazenamento e conservação
de energia, confecção de um capacitor, influência da área da área das placas e
determinação da constante dielétrica de diferentes materiais
3.2. Materiais Utilizados
■ 1 Voltímetro digital
■ 1 Voltímetro analógico
■ 1 galvanômetro de zero no centro de μA
■ Resistores de 100Ω(2) e 1kΩ
■ 3 condensadores de 47, 100 e 220 μF
■ 1 cronômetro
■ 1 fonte DC regulavel
■ Cabos de conexões
■ 1 placa para montagem de circuitos
3.3. Método
■ Carga de um capacitor
Para realizar o experimento de determinação do tempo de carga
de um capacitor era necessário construir o seguinte circuito:
Antes de conectar o capacitor foi necessário medir o valor da
tensão indicada inicialmente pelo voltímetro. Logo em seguida,
conectou-se o capacitor descarregado. Mediu-se então o tempo
que o capacitor levou para atingir o pico máximo de tensão.
Para três capacitores diferentes, os resultados obtidos foram os
seguintes:
Sendo assim, a curva obtida fora a seguinte :
■ Descarga de um capacitor
Para medir o tempo de descarga, foi necessário utilizar o mesmo
circuito, porém com objetivos distintos. O capacitor foi
carregado, logo em seguida a fonte foi desconectada. Utilizando
assim o voltímetro para medir o tempo de descarga do capacitor
Obteve-se então os seguintes resultados:
■ Capacitância desconhecida
Para medir uma capacitância desconhecida foi necessário
montar o seguinte circuito:
Onde foi possível determinar o valor de uma capacitância
desconhecida através da seguinte equação:
■ Capacitores em série e em paralelo
O objetivo deste experimento é calcular o valor da capacitância
de capacitores em paralelo e em série. Foi utilizado o seguinte
circuito:
■ Armazenamento e conservação de energia
Para o experimento de armazenamento e conservação de energia
foi necessário montar o circuito com dois capacitores, sendo um
deles carregado e o outro descarregado. Logo em seguida
verificou a energia final em cada capacitor. Verificando que a
energia não se conservou, visto que houve uma perda por parte
do circuito
4. Referências Bibliográficas
J. Ho, T. R. Jow and S. Boggs, "Historical introduction to capacitor
technology," in IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 26, no. 1, pp.
20-25, January-February 2010, doi: 10.1109/MEI.2010.5383924.