Capacitor Em Regine AC

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BEATRIZ SABINO ALVES
BRUNO HIROSHI IOSHIMURA
GUSTAVO YEH FUZINATO
RELATÓRIO XI
CAPACITOR EM REGINE AC
Londrina
2017
Laboratório XI – Capacitor Em Regine AC
Beatriz Sabino Alves, Bruno Hiroshi Ioshimura, Gustavo Yeh Fuzinato
Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual de Londrina
Londrina/PR - Brasil
2017
Resumo
Capacitor é um componente que armazena cargas elétricas num campo
elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.
Os capacitores despolarizados são componentes que não têm armaduras
que devem ser ligadas ao positivo e outras ao negativo da alimentação. Esses
capacitores podem funcionar em corrente alternada devido ao fato de que cada
uma das suas armaduras pode receber tanto potencial positivo como negativo.
Capacitores despolarizados podem ser ligados em CA.
Os capacitores polarizados são capacitores que ao contrário dos capacito-
res despolarizados têm armaduras que devem ser ligadas ao positivo e outras
ao negativo da alimentação. Esses capacitores não podem ser conectados a
CA porque a troca de polaridade provoca danos ao componente.
Quando um capacitor é conectado a uma fonte de corrente alternada as
suas armaduras estão submetidas à troca sucessiva de polaridade da tensão
aplicada.
Neste relatório veremos como é o comportamento de um capacitor subme-
tido em regime AC.
Sumário
1 Experimento - Capacitor em Regime AC 3
1.1 Teoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Parte Prática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Materiais e Equipamentos Utilizados . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Circuito da Prática Laboratorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Descrição do Circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Parte Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Questões a Serem Respondidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Conclusão Final 13
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 3
1 Experimento - Capacitor em Regime AC
1.1 Teoria
No dia-a-dia, é comum encontrarmos as siglas AC, DC e Hz, elas são mais
encontradas em superfícies dos aparelhos elétricos residenciais.
- AC significa Alternating Current (corrente alternada). Em um circuito AC,
a corrente circula ora em um sentido, ora em outro.
- DC significa Direct Current (corrente direta ou corrente contínua. Em um
circuito elétrico DC, a corrente circula em apenas um dos sentidos.
- Hz ou hertz é a unidade de medida derivada do SI para frequência, a qual
expressa, em termos de ciclos por segundo, a frequência de um evento periódico,
oscilações (vibrações) ou rotações por segundo .
Por isso, o valor 60 Hz indica que a corrente elétrica fornecida nas tomadas
de nossa casa oscila sessenta vezes por segundo.
Os osciloscópios são aparelhos usados para o desenvolvimento de proje-
tos em eletrônica ou para serviços de manutenção de equipamentos eletrônicos.
Trata-se de um pequeno tubo de raios catódicos ligados a circuitos de controle. As
televisões e monitores de computador usados antes da popularização do LCD são
tubos de raios catódicos.
O tubo de raios catódicos é composto por um “canhão” que lança elétrons
sobre uma tela fluorescente. Quando ligamos uma fonte de tensão alternada (AC)
em um osciloscópio, vemos a imagem abaixo:
Figura 1: Senóide característica da Corrente Alternada.
Fonte: O autor. - [3]
A corrente elétrica aumenta até chegar a um valor máximo e depois co-
meça a diminuir de valor. Após se anular, instantaneamente, a corrente volta a
aumentar, mas desta vez no sentido oposto ao inicial. Essa inversão no sentido da
corrente é provocada por uma mudança na tensão da fonte.
Podemos transformar uma corrente AC em DC por meio de um diodo reti-
ficador. Se adicionarmos um diodo ao circuito representado no passo 1, a corrente
que circulará pelo circuito terá o aspecto mostrado na figura a seguir.
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 4
Figura 2: Corrente Alternada Transformada em Corrente Contínua.
Fonte: O autor. - [3]
Existem elementos de circuito, tais como as lâmpadas incandescentes,
que funcionam tanto com corrente AC, quanto com corrente DC.
Agora, um novo componente nos será apresentado: O capacitor. O capa-
citor é constituído por duas placas de material metálico que são separadas por uma
camada de material isolante. Com essa configuração, o capacitor é capaz de arma-
zenar cargas elétricas em suas placas quando conectado a uma fonte de tensão,
como uma bateria, por exemplo.
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 5
Figura 3: Parte interna de um Capacitor.
Fonte: O autor. - [3]
Existem diversos tipos de capacitores, de acordo com o material empre-
gado como dielétrico. Cada dielétrico confere um valor diferente de capacitância,
considerando as mesmas dimensões físicas do capacitor. Os dielétricos podem ser
sólidos, líquidos ou gasosos, sendo mais comuns os dois primeiros tipos. Exemplos
de materiais dielétricos utilizados em capacitores são: cerâmica, poliéster, tântalo,
mica, óleo mineral, soluções eletrolíticas etc.
Cada tipo de capacitor apresenta suas peculiaridades, vantagens e des-
vantagens:
Cerâmicos: Capacitores pequenos, de baixo custo, adequados para altas
frequências. São fabricados com valores de capacitância (pF) até 1 microfarad (µF).
Sua capacitância pode variar dependendo da tensão aplicada.
Poliéster: Muito utilizados para sinais AC de baixa frequência, mas inapro-
priados para altas frequências. Seu valor típico de capacitância reside na ordem
dos nanofarads (nF).
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 6
Tântalo: Alta capacitância, tamanho reduzido, ótima estabilidade. Existem
modelos polarizados e não-polarizados. Possuem maior custo de produção em
relação aos capacitores eletrolíticos e tensão máxima de isolamento em torno de
50V.
Mica: São inertes, ou seja, não sofrem variação com o tempo e são muito
estáveis, porém, de alto custo de produção.
Óleo: Possuem alta capacitância e são indicados para aplicações industri-
ais, pois suportam altas correntes e picos de tensão elevados. Possuem tamanho
superior em relação a outros tipos de capacitores e seu uso é limitado a baixas
frequências.
Eletrolíticos: Nome comumente empregado aos capacitores cujo dielétrico
é o óxido de alumínio imerso em uma solução eletrolítica. São capacitores po-
larizados de alto valor de capacitância, muito utilizados em fontes de alimentação.
Possuem custo reduzido em relação ao valor da capacitância, porém, proporcionam
grandes perdas e seu uso é limitado a baixas frequências.
Quando o capacitor é ligado a uma fonte de tensão, elétrons são retira-
dos de uma das placas e enviados para a outra placa. Assim, uma das placas vai
ficando carregada positivamente, ao mesmo tempo em que a outra torna-se nega-
tivamente carregada, como mostra a figura a seguir.
Figura 4: Funcionamento de um Capacitor.
Fonte: O autor. - [3]
Quando a tensão elétrica entre as placas do capacitor é igual à tensão
entre os terminais da fonte de tensão, o movimento de elétrons cessa: o capacitor
está carregado.
Os capacitores despolarizados podem funcionar em corrente alternada de-
vido ao fato de que cada uma das suas armaduras pode receber tanto potencial
positivo como negativo. Capacitores despolarizados podem ser ligados em CA.
Os capacitores polarizados não podem ser conectados a CA porque a
troca de polaridade provoca danos ao componente.
Quando um capacitor é conectado a uma fonte de corrente alternada as
suas armaduras estão submetidas à troca sucessiva de polaridade da tensão apli-
cada, conforme mostra a figura abaixo:
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 7
Figura 5: Troca de polaridade das armaduras de um capacitor.
Fonte: O autor.- [3]
A cada semiciclo, a armadura que recebe potencial positivo entrega elé-
trons à fonte, enquanto a armadura que está ligada ao potencial negativo recebe
elétrons, como ilustrado abaixo:
Figura 6: Retirada e entrega de elétrons às armaduras do capacitor.
Fonte: O autor. - [3]
Com a troca sucessiva de polaridade, uma mesma armadura durante um
semiciclo recebe elétrons da fonte e no outro devolve elétrons para a fonte, como
mostrado na figura abaixo:
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 8
Figura 7: Inversão da polaridade nas armaduras de um capacitor.
Fonte: O autor. - [3]
Há, portanto, um movimento de elétrons ora entrando, ora saindo da ar-
madura. Isto significa que circula uma corrente alternada no circuito, embora as
cargas elétricas não passem de uma armadura do capacitor para a outra através
do dielétrico.
Portanto, um capacitor ligado a uma fonte de CA permite a circulação de
corrente num circuito.
1.1.1 Objetivos
O objetivo desta atividade laboratorial é que os alunos Verifiquem experi-
mentalmente a variação da reatância capacitiva com a frequência.
1.2 Parte Prática
1.2.1 Materiais e Equipamentos Utilizados
Para esta prática, foram utilizados os seguintes materiais:
Resistor
- 1kΩ.
Como visto anteriormente, em atividades laboratoriais passadas, o resistor
é um dispositivo dotado de resistência, usado em circuitos elétricos para proteção,
operação ou controle do circuito.
Capacitor
- 0,1 µF.
Capacitor é um componente que armazena cargas elétricas num campo
elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.
Para esta prática, foram utilizados os seguintes equipamentos:
Multímetro
O multímetro utilizado é um multímetro digital da marca Minipa modelo ET-
2060 com precisão de mais ou menos (% da Leitura + Numero Dígitos). Sendo
válida na faixa de temperatura de 18◦C a 28◦C, RH < 75%[4]
Osciloscópio
O osciloscópio é um instrumento de medida de sinais elétricos/eletrônicos
que apresenta gráficos bi-dimensionais de um ou mais sinais elétricos (de acordo
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 9
com a quantidade de canais de entrada). O eixo vertical (y) do ecrã (monitor) re-
presenta a intensidade do sinal (tensão) e o eixo horizontal (x) representa o tempo,
tornando o instrumento útil para mostrar sinais periódicos. O monitor é constituído
por um "ponto"que periodicamente "varre"a tela da esquerda para a direita.
Fonte de Tensão
A fonte de tensão utilizada é uma fonte de tensão ajustável 0-30V Mi-
nipa modelo MPS-3003 com precisão em tensão constante de mais ou menos
(0,5001mV), em corrente constante (6,001mA), precisão do mostrador do voltíme-
tro mais ou menos 1% Leitura mais 2 dígitos e do mostrador do amperímetro mais
ou menos 2% Leitura mais 2 dígitos [5]
Matriz de Contato
Também conhecida como protoboard, onde os alunos realizam a monta-
gem do circuito.
1.2.2 Circuito da Prática Laboratorial
Para esta prática laboratorial foi utilizado o circuito abaixo:
Figura 8: Circuito da prática laboratorial.
Fonte: O autor. - [3]
1.2.3 Descrição do Circuito
Neste circuito temos um capacitor de 0,1µF em série com o resistor de
1KΩ.
Esses dois componentes estão em série com um gerador de sinais em
frequência de 10KHz.
1.3 Parte Experimental
Primeiramente, foi medido o valor real dos resistores que seriam utilizados.
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 10
Os valores medidos encontram-se na tabela abaixo:
Tabela 1: Valores medidos dos resistores utilizados.
Resistor(Ω) Valor Medido (Ω)
1k 0,993K
Fonte: O autor.
Em seguida, foi pedido que os estudantes montassem o circuito apresen-
tado na sessão "Circuito da Prática Laboratorial".
Foi pedido também que fosse ajustada a frequência do gerador de sinais
para 10kHz.
Após isso, foi pedido que tensão do gerador de sinais fosse ajustada para
obter no resistor as tensões marcadas no quadro abaixo. Para cada caso, foi ne-
cessário medir e anotar a tensão pico a pico no capacitor.
Tabela 2: Tabela para atividade laboratorial.
Vrpp (V) 1 2 3 4 5
Vref(v) 0,70 1,41 2,18 2,83 3,54
Ief(mA) 0,70 1,42 2,19 2,85 3,56
Vcpp(mV) 280,00 160,00 160,00 160,00 160,00
Vcef(V) 0,19 0,11 0,11 0,11 0,11
Xc(Ω) 282,86 77,46 50,23 38,60 30,90
Fonte: O autor.
Após isso, foi pedido que o gerador de sinais fosse ajustado para 1 Vpp,
mantendo-a constante a cada medida. A frequência deveria ser variada de acordo
com os quadros abaixo. Meça e anote para cada caso o valor da tensão pico a pico
no resistor e no capacitor.
Tabela 3: Tabela para a segunda parte da atividade laboratorial.
f(KHz) Vrpp (V) Vref(v) Ief(mA) Vcpp(V) Vcef(V) Xc(Ω)
1 520,00m 367,70 700,00m 494,97m 0,37 1337,76
2 148,00m 1,05m 1,24 876,81m 1,06 0,89
3 760,00m 537,40m 160,00m 113,14m 0,54 209,13
4 860,00m 608,11m 160,00m 113,14m 0,61 14,87
5 900,00m 636,40m 440,00m 311,13m 0,64 486,14
6 920,00m 650,54m 400,00m 282,84m 0,65 431,82
7 920,00m 650,54m 360,00m 254,56m 0,65 388,64
8 920,00m 650,54m 140,00m 98,99m 0,65 151,13
9 920,00m 650,54m 280,00m 197,99m 0,65 302,27
10 920,00m 650,54m 280,00m 197,99m 0,65 302,27
Fonte: O autor.
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 11
1.4 Questões a Serem Respondidas
Nesta atividade laboratorial as seguintes questões foram levantadas:
01) - Calcule Vref e Vcef, preenchendo os quadros do item 2 do experi-
mento.
Resposta: Essa questão foi respondida na tabela.
02) - Calcule Ief = Vref / R, preenchendo o quadro do item 2 do experi-
mento.
Resposta: Essa questão foi respondida na tabela.
03) - Calcule Xc = Vcef / Ief, preenchendo o quadro do item 2 do experi-
mento.
Resposta: Essa questão foi respondida na tabela.
04) - Repita as questões anteriores, preenchendo o quadro do item 3 do
experimento.
Resposta: Essa questão foi respondida na tabela.
05) - Calcule XC = 1
2·pi·f ·C e compare com os valores obtidos no quadro do
item 2 do experimento.
Resposta: Os valores obtidos estão próximos aos que deveriam ser, toda-
via, existem algumas variações, tendo em vista que os componentes possuem uma
pequena variação em seus valores nominais e também da precisão do osciloscópio
e também do gerador de função.
O gráfico com os valores obtidos:
Figura 9: Resposta questão 6
Fonte: O autor. - [3]
1 EXPERIMENTO - CAPACITOR EM REGIME AC 12
Tabela 4: Valores obtidos através dos cálculos.
Frequência (kHz) Xc (Ω)
1 1591,55
2 795,76
3 530,52
4 397,89
5 318,31
6 265,26
7 227,36
8 198,94
9 176,84
10 159,15
Fonte: O autor.
06) - Com os valores do quadro do item 3 do experimento, construa o
gráfico Xc = f(f).
Resposta: O gráfico plotado utilizando os dados obtidos, que estão conti-
dos na tabela 3:
Figura 10: Resposta questão 6
Fonte: O autor. - [3]
07) - No circuito da figura abaixo, a tensão eficaz é 12 V. Determine o valor
da tensão instantânea quando o da corrente for igual a 0,32 mA.
2 CONCLUSÃO FINAL 13
Figura 11: Circuito da Questão 7.
Fonte: O autor. - [3]
Resposta: O valor da tensão pode ser calculado da seguinte maneira:
xc =
Vef
Ief
→ Vef = xc · Ief = 26, 526 · 103 · 0, 32 · 10−3 = 8, 488V
Sendo xc calculado por:
xc =
1
2 · pi · f · C =
1
2 · pi · 60 · 0, 1 · 10−6 = 26, 526 · 10
3Ω
2 Conclusão Final
Após esta atividade laboratorial os estudantes conseguiram verificar expe-
rimentalmente a variação da reatância capacitiva com a frequência.
Alguns itens citados no decorrer do relatório não era novidade pois se tra-
tam de assuntos que já foram abordados em outras matérias e em outras atividades
laboratoriais:
Um desses assuntos era conceito de corrente alternada que é uma cor-
rente elétrica cujo sentido varia no tempo, ao contrário da corrente contínua cujo
sentido permanece constante ao longo do tempo.
Outro ponto já visto anteriormente era a corrente Contínua que é o fluxo
ordenado de elétrons sempre numa direção, diferente dacorrente alternada cujo
sentido dos elétrons varia no tempo.
E, por fim o conceito de frequência, Hz que já era um assunto conhecido.
A montagem em si da parte experimental não teve um nível de dificuldade
elevada e, a atividade laboratorial teve uma porcentagem alta de aproveitamento
pelos alunos.
REFERÊNCIAS 14
Referências
[1] Alexander, Charles K., Sadiku, Matthew N. O., Fundamentos de Circuitos Elétri-
cos, Editora AMGH LTDA, Porto Alegre, 5a Edição.
[2] Mello, Hilton A., Intrator, Edmond, Dispositivos Semicondutores, editora ao livro
técnico S.A., Rio de Janeiro, Vol. 1, 17a. Ed
[3] Apostila de Física - UNIP Bauru.
[4] Manual Multímetro Digital Menipa, <Disponível em
http://www.minipa.com.br/images/Manual/ET-2030A-1103-BR.pdf>
[5] Manual Fonte de Tensão Manual Ajustável, <Disponível em
http://www.minipa.com.br/images/Manual/ET-2030A-1103-BR.pdf>
[6] Roteiro Dado em Sala.
[7] Explicação dada em Sala.