1 CAPACITORES 1

Prévia do material em texto

ENGENHARIA ELÉTRICA
7º RELATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL III:
CAPACITORES.
THAYSE PRACHEDES VIEIRA DA SILVA
	Professor: Nelson
Rio de Janeiro
2014
1. INTRODUÇÃO
 O capacitor é capaz de armazenar energia potencial elétrica durante um intervalo de tempo, ele é construído utilizando um campo elétrico uniforme. É composto por duas peças condutoras, chamadas armaduras e um material isolante com propriedades específicas chamado dielétrico.
 Para que haja um campo elétrico uniforme é necessário que haja uma interação específica, limitando os possíveis formatos geométricos de um capacitor.
2. OBJETIVO DA EXPERIÊNCIA
 Este relatório tem como objetivo conhecer a fundamentação teórica sobre o estudo dos capacitores, conceituar capacitância de um capacitor de placas paralelas, verificar a dependência entre a distância entre as placas de um capacitor e sua capacitância, verificar a variação da capacitância conforme o dielétrico utilizado.
3. EMBASAMENTO TEÓRICO 
 Potencial Elétrico – é uma grandeza escalar definida como sendo a energia potencial por unidade de carga em um ponto no espaço. O potencial elétrico é dado por:
V = U / q  Equação 1
Onde:
V – potencial elétrico (V)
U – energia potencial elétrica (J)
q – carga elétrica (C)
Capacitor ou Condensador – é umdispositivo capaz de armazenar energia elétrica. O Capacitor é constituído de dois condutores com cargas elétricas iguais e opostas e separados por uma pequena distância onde é possível posicionar o material isolante (ar, acrílico, papelão, etc). Os capacitores são denominados de acordo com a sua forma geométrica. Essas formas geométricas podem ser: plana, cilíndrica, esférica, etc. Capacitância – é a grandeza que expressa a quantidade de carga que um capacitor é capaz de armazenar. Tendo como base que a carga q e a diferença de potencial (ddp) são proporcionais em um capacitor, e o valor da capacitância depende da geometria do capacitor e não da carga ou diferença de potencial, tem-se:
C = q / V  Equação 2
Onde:
C – é a capacitância (F);
V – potencial elétrico ou ddp entre as placas do capacitor (V).
q – é o módulo da carga elétrica de uma das placas do capacitor (C)
Dielétrico – é o material isolante presente entre as placas do capacitor, onde quanto maior for o valor da constante dielétrica (k) do material, maior será a capacitância.
Capacitor de Placas Paralelas– é composto por duas placas condutoras paralelas separadas por uma pequena distância, onde está posicionado o material isolante (dielétrico).
Energia
Os elétrons das moléculas mudam em direção à placa da esquerda positivamente carregada. As moléculas então criam um campo elétrico do lado esquerdo que anula parcialmente o campo criado pelas placas. (O espaço do ar é mostrado para maior clareza; em um capacitor real, o dielétrico fica em contato direto com as placas.)
Para carregar um capacitor, é preciso carregar uma das armaduras com carga  e a outra com carga .O processo implica uma transferência de carga  de uma armadura para a outra. Essa passagem pode ser devida à ligação de dois cabos nas armaduras e nos terminais de uma bateria. 
Para calcular a energia dispensada nesse processo, imaginemos que a carga total  foi transferida em pequenas cargas infinitesimais  desde uma das armaduras até a outra, como se mostra na figura abaixo.  Cada vez que uma carga  passa da armadura negativa para (...)Passagem da carga de uma armadura para a outra num capacitor
... a positiva, ganha uma energia potencial elétrica:
	
A energia total armazenada no condensador obtem-se por integração, de  até  (área sob a reta no gráfico de  em função de , na figura abaixo). O resultado é:
	
Aumento da diferença de potencial no condensador, em função da carga nas armaduras.
Usando a equação de capacitância , na introdução da página , que relaciona a carga e a diferença de potencial em qualquer condensador, a equação da energia total armazenada no condensador pode ser escrita em outras duas formas alternativas :
	
A carga não será transferida para as armaduras de forma instantânea. Quando ligarmos um condensador a uma fonte, a carga aumentará gradualmente até uma carga final. O processo de aumento da carga, em função do tempo, denomina-se resposta transitória do condensador; se a resistência entre a fonte e as armaduras do condensador não for muito elevada, a resposta transitória será extremamente rápida e podemos admitir que a carga no condensador já tem o seu valor final estável. No capítulo sobre processamento de sinais veremos como determinar a resposta transitória.
Associação de capacitores
Um sistema de capacitores pode ser substituído por um único capacitor equivalente. Nos casos em que os capacitores estejam ligados em série ou em paralelo, é fácil calcular a capacidade que deverá ter o capacitor equivalente.
A figura abaixo mostra dois capacitores ligados em série, entre os pontos A e B. Se os capacitores estiverem inicialmente descarregados, no momento em que for introduzida uma diferença de potencial entre os pontos A e B, circulará uma carga  que entra pelo ponto a maior potencial (A na figura) e sai pelo ponto a menor potencial.
Na região central, que liga as duas armaduras comuns dos dois capacitores , são induzidas cargas  e  (a carga total nessa região é nula). Assim, a carga armazenada em cada um dos capacitores é a mesma.
Capacitores Ligados em Série
A diferença de potencial entre os pontos A e B será a soma das diferenças de potencial em cada um dos capacitores :
	
Assim, o sistema é equivalente a um único capacitor com capacidade que verifica a equação:
	
A carga armazenada no capacitor equivalente é a mesma que em cada um dos capacitores em série.
A figura abaixo mostra um sistema de dois capacitores ligados em paralelo entre dois pontos A e B. A diferença de potencial será sempre igual nos dois capacitores, e igual à diferença de potencial entre os pontos A e B.
Capacitores Ligados em Paralelo
Se os capacitores estiverem inicialmente descarregados, no momento em que for introduzida uma diferença de potencial entre os pontos A e B, entrará carga positiva nas armaduras que estiverem ligadas ao ponto com maior potencial, e sairá a mesma quantidade de carga das armaduras ligadas ao ponto com menor potencial.  Mas a quantidade de carga que entra em cada capacitor não tem que ser a mesma; a carga total que entra e sai entre os pontos A e B é:
	
Assim, o sistema é equivalente a um único capacitor com capacidade igual à soma das duas capacidades dos capacitores :
	
	
Capacitores na prática
Capacitores comuns
Apresenta-se com tolerâncias de 5 % ou 10 %.
Capacitores são frequentemente classificados de acordo com o material usado como dielétrico. Os seguintes tipos de dielétricos são usados:
cerâmica (valores baixos até cerca de 1 μF)
C0G ou NP0 - tipicamente de 4,7 pF a 0,047 uF, 5 %. Alta tolerância e performance de temperatura. Maiores e mais caros
X7R - tipicamente de 3300 pF a 0,33 uF, 10 %. Bom para acoplamento não-crítico, aplicações com timer.
Z5U - tipicamente de 0,01 uF a 2,2 uF, 20 %. Bom para aplicações em bypass ou acoplamentos. Baixo preço e tamanho pequeno.
poliestireno (geralmente na escala de picofarads)
poliéster (de aproximadamente 1 nF até 10 μF)
polipropilêno (baixa perda. alta tensão, resistente a avarias)
tântalo (compacto, dispositivo de baixa tensão, de até 100 μF aproximadamente)
eletrolítico (de alta potência, compacto mas com muita perda, na escala de 1 μF a 1000 μF)
Propriedades importantes dos capacitores, além de sua capacitância, são a máxima tensão de trabalho e a quantidade de energia perdida no dielétrico. Para capacitores de alta potência a corrente máxima e a Resistência em Série Equivalente (ESR) são considerações posteriores. Um ESR típico para a maioria dos capacitores está entre 0,0001 ohm e 0,01 ohm, valores baixos preferidos para aplicações de correntesaltas.
Já que capacitores têm ESRs tão baixos, eles têm a capacidade de entregar correntes enormes em circuitos curtos, o que pode ser perigoso. Por segurança, todos os capacitores grandes deveriam ser descarregados antes do manuseio. Isso é feito colocando-se um resistor pequeno de 1 ohm a 10 ohm nos terminais, isso é, criando um circuito entre os terminais, passando pelo resistor.
Capacitores também podem ser fabricados em aparelhos de circuitos integrados de semicondutores, usando linhas metálicas e isolantes num substrato. Tais capacitores são usados para armazenar sinais analógicos em filtros chaveados por capacitores, e para armazenar dados digitais em memória dinâmica de acesso aleatória (DRAM). Diferentemente de capacitores discretos, porém, na maior parte do processo de fabricação, tolerâncias precisas não são possíveis (15 % a 20 % é considerado bom).
Identificação do valor no capacitor cerâmico
Identificação de valor no capacitor cerâmico
Os capacitores cerâmicos apresentam impressos no próprio corpo um conjunto de três algarismos e uma letra. Para se obter o valor do capacitor os dois primeiros algarismos representam os dois primeiros dígitos do valor do capacitor, e o terceiro algarismo (algarismo multiplicador) representa o número de zeros à direita. A letra representa a tolerância do capacitor (a qual pode ser omitida), que é a faixa de valores em que a capacitância variará. Para os capacitores cerâmicos até 10pF esta é expressa em pF. Para os acima de 10pF é expressa em porcentagem. Por exemplo um capacitor com 224F impresso no próprio corpo, possuirá uma capacitância de 220000pF com uma tolerância de +/- 1% (seu valor pode ser um ponto percentual à mais ou à menos desse valor). 
Tabela de tolerância no capacitor cerâmico
Identificação do valor no capacitor de poliéster
Tabela para identificação dos valores do capacitor de poliéster
Para a identificação dos valores do capacitor de poliéster é usado um conjunto de 7 faixas coloridas (conforme tabela), embora seja um método em desuso pelos fabricantes, no qual cada faixa representará respectivamente: primeiro algarismo, segundo algarismo, algarismo multiplicador, tolerância e tensão. O valor é obtido em pF. Os capacitores de poliéster não tem polaridade. 
Capacitores variáveis
Há dois tipos distintos de capacitores variáveis, cujas capacitâncias podem ser mudadas intencionalmente e repetidamente ao longo da vida do dispositivo:
Aqueles que usam uma construção mecânica para mudar a distância entre as placas, ou a superfície da área das placas superpostas. Esses dispositivos são chamados capacitores de sintonia, ou simplesmente "capacitores variáveis", e são usados em equipamentos de telecomunicação para sintonia e controle de frequências.Neste tipo de capacitor o elemento dielétrico é o próprio ar.
Aqueles que usam o fato de que a espessura da camada de depleção de um diodo varia com a tensão da corrente contínua atravessando o diodo. Esses diodos são chamados de diodos de capacitância variável, varactores ouvaricaps. Qualquer diodo exibe esse efeito, mas dispositivos vendidos especificamente como varactores têm uma área de junção grande e um perfil de dopagem especificamente dimensionado para maximizar a capacitância.
Em um capacitor microfone (comumente conhecido como um microfone condensador), o diafragma age como uma placa do capacitor, e as vibrações produzem alterações na distância entre o diafragma e uma placa fixa, alterando a tensão entre as placas.
5. CONCLUSÃO
 Verificamos algumas das características dos capacitores de placas paralelas e principalmente o quanto o material dielétrico utilizado entre as placas e a distância entre estas, influenciam no valor da capacitância.
 A partir dos resultados dos experimentos, observamos que quanto maior for o valor da constante dielétrica do material utilizado como isolante entre as placas, maior será a capacitância do capacitor.
6. BIBLIOGRAFIA
http://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitor Acesso em: 24/11/2014
Fundamentos da Física 3. Francisco Ramalho Júnior. 6° Edição
Física. Dalton Gonçalves. 3° Edição.