Relatório - Experimento de capacitância equivalente entre capacitores associados em série e paralelo.

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Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental
Aula prática: Experimento de capacitância equivalente entre capacitores associados em sére e paralelo.
 
Bruno Armoa Siqueira, João Paulo Alves Sartorello, Igor London
CUIABÁ/MT
2016
Introdução.
Um capacitor é um dispositivo que armazena energia potencial elétrica e carga elétrica, como exemplo quando você comprime a mola de uma ratoeira antiga ou puxa uma flecha para trás encurvando o arco, você esta armazenando energia mecânica sob forma de energia potencial. Os capacitores possuem infindáveis aplicações, tal como em unidadades de flash das máquinas fotográficas, em um laser pulsante, nos sensores de air bags, nos receptores de radio e televisão. Um capacitor nada mais é do que um isolante (ou em vez de um isolante pode-se encontrar vácuo) no meio de dois condutores de mesma carga, um positivo e outro negativo, assim através do trabalho realizado para deslocar essas cargas entre as placas é gerado uma diferença de potencial entre os condutores, então o trabalho realizado é armazenado em forma de energia potencial elétrica. O estudo dos capacitores tem origem em 1745 com Ewald Georg von Kleist, descobrindo que uma carga poderia ser armazenada por um fio e uma jarra de vidro com água ligados a um gerador, Von descobriu que após a retirada do gerador ao tocar no fio o resultado foi um choque. Esse dispositivo criado por Von foi aprimorado pelo físico holandês Pieter van Musschenbroek no qual nomeou seu capacitor aprimorado de Jarra de Leiden. As jarras de Leiden foram utilizadas até 1900 em que a invenção do rádio criou a necessidade de aprimorar ainda mais os capacitores até os dias atuais.
Imagem 1: Tipos de capacitores no mercado.
Fundamentação teórica.
Como já dito acima um capacitor é um dispositivo com dois eletrodos ou placas carregadas por cargas opostas, entre elas há um material isolante ou vácuo. A carga total armazenada na superfície das placas é sempre zero devido serem cargas iguais, de sinais opostos. Dentre as propriedades dos capacitores encontramos:
Capacitância: 
Consiste na capacidade do dispositivo em armazenar energia elétrica na forma de um campo eletrostático. É medida através da quantidade de carga (Q) armazenada sobre a diferença de potencial ou tensão (V) entre as placas. No sistema internacional a unidade da capacitância é o Farad (F), ou nada mais que (C/V).
A capacitância de um capacitor de placas paralelas constituído de dois eletrodos planos idênticos de área A separados à distância constante d é aproximadamente igual a:
Energia: 
A energia armazenada em um capacitor nada mais é do que o trabalho realizado para se transportar cargas de uma placa a outra que é armazenado na forma de energia potencial elétrica. Dada pela equação:
Associação de capacitores: 
Os capacitores são fabricados com determinadas capacitâncias, caso o valor desejado não é alcançado por um único capacitor é possivel obter esse valor desejado através da combinação entre capacitores, sendo as mais comuns as em série e em paralelo.
Para capacitores em série: 
Os capacitores possuem a mesma carga Q.
A soma das diferenças de potencial é: Vab= Vac + Vcb
Imagem 2 :Capacitores em série
A capacitância equivalente (Ceq) de uma combinação em série é definida como a capacitância de um único capacitor para o qual a carga Q será a mesma que a da combinação quando a diferença de potencial V for a mesma. A capacitância equivalente em série é dada por:
 ou 
Imagem 3: Capacitor equivalente em série
Para capacitores em paralelo: 
Os capacitores possuem o mesmo potencial V
A carga em cada capacitor depende da sua capacitância: Q1= C1 V1, Q2= C2 V2
Imagem 4: capacitores em paralelo.
A combinação em paralelo é equivalente a um único capacitor com a mesma carga total Q= Q1 + Q2 e com a mesma diferença de potencial V da associação, dada pela equação:
Imagem 5: Capacitância equivalente para capacitores em série.
Objetivos.
Teve como objetivos desta aula:
Medir a capacitância de um capacitor.
Associar capacitores em paralelo.
Medir a capacitância equivalente de uma associação de capacitores em paralelo.
Medir a capacitância equivalente de uma associação de capacitores em série.
Material utilizado e metodologia.
Material para o experimento: 
01 placa eletrônica CC e CA – EQ230.21; 
03 placas isolantes com capacitor de 2,2 microfarad e dois pinos de pressão – EQ230.07;
01 placa isolante com capacitor de 1000 microfarad e dois pinos de pressao.
01 placa isolante com ponte elétrica e dois pinos de pressão – EQ230.15;
01 cabo flexível, preto, 0,5m – EQ040.03;
01 cabo flexível, vermelho, 0,5m – EQ040.04;
01 multímetro regulado para capacímetro.
Metodologia:
Foi-se realizada montagem no painel para a observação, conforme as instruções.
Em série:
Conectar o capacitor C1, nos pontos D1 e E1;
Conectar o capacitor C2, nos pontos D2 e E2;
Conectar a ponte elétrica nos pontos H1 e H2;
Conectar o cabo vermelho do mutímetro ao ponto A1;
Conectar o cabo preto do multímetro ao ponto A2.
Na visão geral deverá ficar conforme as figuras: 
Imagem 6: Esquema proposto no relatório.
Imagem 7: Diagrama proprosto para capacitores em série.
Em paralelo:
Conectar o capacitor C1, nos pontos B1 e B2;
Conectar o capacitor C2, nos pontos C1 e C2;
Conectar o capacitor C3, nos pontos D1 e D2;
Conectar o cabo vermelho do multímetro no ponto A1;
Conectar o cabo preto do multímetro no ponto A2.
Deverá ficar conforme a figura:
Imagem 8: Esquema proposto para capacitores em paralelo.
Resultados.
Após as montagens dos painéis foram obtidas as capacitâncias relativas, calculadas conforme equações dadas para cada tipo de associação (série e paralelo). Calculadas então as capacitâncias no papel pelos alunos foram então comparadas a capacitãncia dadas pelos multímetros.
Em série:
Imagem 8: Experimento com capacitores ligados em série já no painel.
Para este tipo de associação foi-se utilizada 01 capacitor de 1000 microfarad e 01 capacitor de 2,2 microfarad, localizados nos pontos D1-E1, D2-E2. No multímetro consta o valor da capacitância equivalente de 2,328 microfarad. Já através da equação para capacitores em série foi encontrado um valor bem próxmo do registrado pelo aparelho.
Em paralelo: 
Imagem 9: Experimento com capacitores em paralelo já no painel.
Na associação em paralelo foi utilizado 03 capacitores de 2,2 microfarad, localizados no pontos B1-B2, C1-C2, D1-D2. No multímetro foi registrado uma capacitância equivalente de 6,722 microfarad. Já a capacitância equivalente encontrada através da equação para capacitores em série é um valor muito próximo com o indicado pelo aparelho:
Conclusões.
Em suma a aula em laboratório é de inimaginável importância aos alunos que cursam a matéria, pois o mais comum de se acontecer durante as matérias de física é não sair das aulas teóricas dos livros, dessa forma os alunos não tem uma visão de como realmente tudo aquilo funciona e como utilizar o conhecimento obtido nas aulas em algo prático. Como podemos observar com a aula em laboratório, todo o conteúdo compreendido nas aulas sobre a matéria de capacitores é funcional, sendo as fórmulas realmente aplicavéis mesmo com uma pequena variação dos valores obtidos pelas equações de associação de capacitores em série e em paralelo, e ao resultado indicado pelo aparelho de medição, provavelmente causada por má instalação entre aparelho e painel. Cabe resaltar que o experimento realizado neste relatório foi feito por último em uma aula de 3 experimentos que também foram registrados em outros relatórios, consequentemente não havia tempo disponível para a realização de um experimento mais aprofundado sobre o assunto, cabendo somente o cálculo da capacitância equivalente. A aula laboratorial é de suma importância para o despertar do interesse nos alunos, visto que é
uma matéria extremamente teórica, e de pouca visibilidade de aplicação para nós meros alunos e para a comprovação das teorias estudadas em sala de aula.
Referências.
FISICA III - Young e Freedman 12ª edição
Capacitor - https://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitor ( Visitado dia: 30/08/2016)