Capacitores e Materiais Dielétricos

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FACULDADE ESTÁCIO DE CURITIBA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CAPACITORES
MATERIAIS DIELÉTRICOS – DIPÓLO ELÉTRICO
CURITIBA
2014
FACULDADE ESTÁCIO DE CURITIBA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Élcio Mendes Felix
Emerson Santos da Silva
Felipe Faria
Olavo Cristiano
CAPACITORES
MATERIAIS DIELÉTRICOS – DIPÓLO ELÉTRICO
Trabalho apresentado a Disciplina de Eletromagnetismodo curso de Engenharia Elétrica da Faculdade Estácio de Curitiba.
Prof.º Wilson José da Silva, Ph.D
CURITIBA
2014
RESUMO
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO	6
2. ASPECTO GERAL	6
3. TEORIA	6
4. DESENVOLVIMENTO	8
4.1 - 	8
4.2 - 	8
4.3 - Cálculos	9
5. ANALISE DOS RESULTADOS	10
6.CONCLUSÃO	10
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	10
INTRODUÇÃO
Esse trabalho tem como finalidade demonstrar a existência, a aplicação, as funcionalidades, particularidades e aplicações do componente eletrônico CAPACITOR, através de cálculos matemáticos, explorando os conceitos e as leis conhecidas da física e da Engenharia, também serão trabalhados cálculos de tempo de carga e descarga, capacidades de acúmulo de carga, fatores que limitam e/ou possibilitam este fenômeno, assim como a relação direta que tem seu dielétrico com relação ao acúmulo de cargas elétricas.
2. ASPECTO GERAL
O capacitor tem a capacidade de armazenar em suas placas, cargas elétricas opostas. A propriedade que um capacitor tem de armazenar energia elétrica na forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância (C), a qual é a quantidade de cargas (Q) armazenadas em um determinado potencial elétrico (V)
 
3. TEORIA
3.1 - Capacitores
É um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar cargas elétricas e consequente energia eletrostática, ou elétrica. Ele é constituído de duas peças condutoras que são chamadas de armaduras. Entre essas armaduras existe um material que é chamado de dielétrico. Dielétrico é uma substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica. A utilização dos dielétricos tem várias vantagens. A mais simples de todas elas é que com o dielétrico podemos colocar as placas do condutor muito próximo sem o risco de que eles entrem em contato. Qualquer substância que for submetida a uma intensidade muito alta de campo elétrico pode se tornar condutor, por esse motivo é que o dielétrico é mais utilizado do que o ar como substância isolante, pois se o ar for submetido a um campo elétrico muito alto ele acaba por se tornar condutor. 
Os capacitores são utilizados nos mais variados tipos de circuitos elétricos, nas máquinas fotográficas armazenando cargas para o flash, por exemplo. Eles podem ter o formato cilíndrico ou plano, dependendo do circuito ao qual ele está sendo empregado.
3.1.1- Capacitância
É denominada capacitância C a propriedade que os capacitores têm de armazenar cargas elétricas na forma de campo eletrostático, e ela é medida através do quociente entre a quantidade de carga (Q) e a diferença de potencial (V) existente entre as placas do capacitor, matematicamente fica da seguinte forma:
Sendo a capacitância resultando em Faraday.
No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de capacitância é o Faraday (F), no entanto essa é uma medida muito grande e que para fins práticos são utilizados valores expressos em microfaradays (μF), nanofaradays (nF) e picofaradays (pF). A capacitância de um capacitor de placas paralelas, ao ser colocado um material dielétrico entre suas placas, pode ser determinado da seguinte forma:
Onde:
: Permissividade do espaço;
A: Área das placas;
D: Distância entre as placas do capacitor.
3.1.2 - Tipos de capacitores
Há diversos tipos de capacitores, os quais se diferenciam tanto pela técnica de construção quanto dos materiais. Essas diferenças dotam estes capacitores de propriedades específicas, que os tornam ideais para determinados tipos de aplicação. São os seguintes os principais tipos de capacitores:
• Tubulares de papel e óleo - Na figura 8 temos os aspectos destes capacitores que, atualmente, são pouco usados. Estes capacitores eram praticamente os que predominavam nos equipamentos valvulados antigos. No entanto, o papel se deteriora e passa a apresentar fugas, levando à necessidade de substituição freqüente destes componentes. Nestes capacitores, temos duas
tiras de metal (alumínio) e entre elas uma tira de papel (isolante).
• Tipos de papel - utilizava- se uma folha de papel seco e nos tipos a óleo, uma folha impregnada de um óleo com características dielétricas importantes. Veja que pelo fato destes capacitores serem 
enrolados, as armaduras se comportam como uma bobina, o que os leva a apresentar uma certa indutância. Isso impede que eles sejam usados de forma eficiente em circuitos de altas freqüências.
• Capacitores planos – são capacitores em que as armaduras são planas assim como os dielétricos, como ocorre com capacitores de mica e cerâmicos exibidos na figura 9. Esta técnica permite obter capacitores com baixas indutâncias, ideais para aplicações em circuitos de altas freqüências.
• Capacitores de poliéster – trata-se de um tipo bastante comum de capacitor que utiliza uma espécie de plástico, sendo obtido colocando-se folhas de alumínio como armaduras e folhas de poliéster entre elas para formar o dielétrico. Sua construção pode levar tanto a capacitores planos como tubulares, conforme ilustra a figura 10. Para estes tipos, entretanto as características do poliéster o tornam inapropriado para aplicações em circuitos de altas freqüências. Uma variação é o poliéster metalizado, onde a armadura é feita pela deposição eletrolítica de uma fina capa de metal sobre o poliéster.
• Capacitores de papel e óleo – são construídos colocando-se entre duas folhas de alumínio papel comum ou papel embebido em óleo. São tubulares e suas características os tornam apropriados apenas para aplicações em circuitos de baixas freqüências. Já não são utilizados mais nas aplicações modernas. Na figura 11 temos o aspecto típico destes capacitores.
• Capacitores de mica – nestes tipos duas placas metálicas são colocadas de modo a haver uma ou mais folhas de mica entre elas, formando o dielétrico. Como a mica não é flexível, estes capacitores só admitem a construção plana. Pelo fato de a mica ser um material muito estável e com propriedades ideais para aplicações em altas freqüências, estes capacitores são empregados em instrumentação, transmissão e outras aplicações semelhantes. Na figura 12 temos os 
aspectos comuns destes capacitores.
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• Capacitores cerâmicos – estes são os mais comuns atualmente. Um tipo comum é tubular, se bem que suas características não sejam indutivas. É obtido a partir de um tubo oco de cerâmica sendo, depositadas por meios eletrolíticos uma armadura internamente e outras externamente, conforme se observa na figura 13(a). Outro tipo é o construído com pedaços planos de cerâmicas onde as armaduras são depositadas nas faces, conforme vemos na figura 13(b). Para se obter maior capacitância podem ser empilhados diversos conjuntos. Pelas suas características, estes capacitores podem ser usados numa ampla gama de aplicações que vão dos circuitos de corrente contínua aos circuitos de freqüências muito altas.
• Capacitores eletrolíticos – estes capacitores são construídos a partir da formação de uma camada de óxido de alumínio (eletrolíticos de alumínio) ou óxido de tântalo (para os capacitores de tântalo) numa armadura do mesmo metal. Como a camada de óxido é muito fina e tem uma constante dielétrica elevada, podem ser obtidos capacitores de valores elevados ocupando pequeno espaço. Na figura 14 temos os aspectos mais comuns para estes capacitores. Veja, entretanto, que, pelas suas características, estes capacitores não se prestam a aplicações que envolvamsinais de frequências elevadas. São mais utilizadas em desacoplamento, acoplamento e filtragem de sinais de baixas freqüências.
• Outros tipos – há outros tipos de capacitores menos comuns, com as nomenclaturas dadas pelos materiais usados nos dielétricos. Temos ainda a considerar os eletrolíticos de nióbio que começam a se tornar comuns.
Capacitores SMD
Os componentes para montagem em superfície (SMD) são utilizados nas montagens de equipamentos que devem ser compactos e mesmo em muitos outros, onde se deseja que o mínimo de espaço seja ocupado. Estes componentes têm reduções muito pequenas e para os capacitores isso também ocorre. Conforme ilustra a figura 15 podemos encontrar capacitores de diversos tipos em invólucros SMD.
A identificação destes componentes é dada por um código especial, e saber se temos diante de nós um capacitor, ou outro componente, exige atenção e análise ao diagrama, pois os seus aspectos são os mesmos de outros componentes como resistores, indutores, diodos, etc.
O capacitor como um componente de circuito elétrico muito útil, vem sendo amplamente aplicado em situações nas quais se precisa de reforço em termos de alimentação energética. Suas características o definem e auxiliam na escolha certa do tipo que é destinado a uma utilização prática, em que pretende-se por exemplo dar partida em motores, reforçando a corrente inicial suficiente para a produção de um campo magnético que produz movimento no rotor. Pode ser empregado com outras finalidades a exemplo dos circuitos de rádios como a sintonia ajustável da freqüência. Dispositivo comercial de bastante importância que também corrige fator de potência gerando um melhor aproveitamento da energia aonde seja necessário seu emprego.
Temos de fuga de corrente para alguns materiais dielétricos a 25ºC.
	Material
	Tempo de fuga (MΩ X µF = s)
	Teflon
	
	Poliestireno
	
	Policarbonato
	
	Poliéster
	
	Vidor
	
	Mica
	
	Cerâmica
	
	Eletrolítico
	
4. DESENVOLVIMENTO
4.1 -Dielétrico 
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Podemos obter valores diferentes de capacitância para o mesmo par de placas paralelas, simplesmente inserindo vários materiais isolantes sobre elas.
Como o material é isolante, os elétrons não conseguem deixar seus átomos e migrar para a placa positiva. Os prótons e elétrons de cada átomo se rearranjam formando dipólos.
Imagem 4.1.1
Fonte: Material Wilson José da Silva, Ph.D – Aula 6 – Vetor Intensidade de Campo Elétrico – Dipólo Elétrico.
Independentemente das moléculas terem momento de dipólo permanente ou não, as moléculas adquirem momento de dipólo por indução quando colocadas num campo elétrico externo. Porém, como as moléculas estão colidindo continuamente umas com as outras, o alinhamento resultante é parcial, podendo-se tornar mais completo, quando se aumenta a intensidade do campo aplicado. O alinhamento produz um campo elétrico orientado no sentido oposto ao do campo e menos intenso. Quando os dipólos se alinham dizemos que o material está polarizado.
Imagem 4.1.2
Fonte: Material Wilson José da Silva, Ph.D – Aula 6 – Vetor Intensidade de Campo Elétrico – Polarização do Dielétrico.
O objetivo do dielétrico é criar um campo elétrico com sentido oposto ao campo criado pelas placas, diminuindo a intensidade do campo quando o dielétrico é introduzido. Entretanto, com ou sem dielétrico, o campo elétrico total deve permanecer inalterado se a mesma tensão V e a mesma distância separadora d forem mantidas entre as placas.
Então, para garantir que o campo elétrico se mantenha constante, a quantidade de carga nas placas deve aumentar, aumentando consequentemente a capacitância,
O dielétrico determina o número de linhas de campo elétrico entre as duas placas, e também a densidade de fluxo, isto é, o número de linhas por unidade de área. A razão entre a permissividade do dielétrico e a intensidade de campo elétrico é adensidade de fluxo.
A permissividade é o que define como a facilidade com que o dielétrico permite o estabelecimento de linhas de campo em seu interior. Quanto maior a permissividade, maior a quantidade de carga depositada nas placas.
4.2 -Cálculos
Ao analisarmos um modelo de capacitor, por mais simples que seja, contendo apenas duas placas separadas por um dielétrico, teremos então inicialmente e didaticamente, os pólos POSITIVO E NEGATIVO.
	Ao submeter este componente a uma fonte de tensão, estas placas passarão a adquirir cargas Q+ e Q-. Neste momento, há o aparecimento de um Campo Elétrico de Intensidade E do pólo Positivo para o Negativo – (imagem 4.1.1), esta interação entre pólos gera uma segunda Força Vetorial P, que POLARIZA o dielétrico – (imagem 4.1.1).
	Esta interação pode ser conferida matematicamente pelos seguintes cálculos:
- INTENSIDADE DE CAMPO ELÉTRICO ENTRE DUAS PARTÍCULAS (Q+ e Q-)
Pode ser descrita pela Lei de Coulomb
- DENSIDADE DO CAMPO
O resultado da carga armazenada na embalagemestá relacionado com a área: 
Onde A é a área do  é a densidade superficial de carga máxima. Logo, para determinar o valor da carga acumulada, é necessário primeiro calcular o valor dessa densidade, pela equação:
Onde  é o campo elétrico na face externa do condutor e  é a permissibilidade do meio, e seu valor é:
para , temos o valor de:
Então, com as equações descritas anteriormente, foi possível calcular o valor da carga máxima armazenada. Seu valor em Coulomb é: 
Sabendo-se o valor da carga máxima acumulada, foi possível também, determinar o potencial elétrico pela seguinte equação: 
Onde K0 é a constante eletrostática no vácuo, que é aproximadamente igual a do ar. Seu valor é:
e o valor teórico do potencial elétrico é: 
5. ANALISE DOS RESULTADOS
O processo estava baseado no atrito da borracha e do PVC, os quais foram carregados eletricamente por esse fenômeno. A condição para que ocorra o fenômeno é que os corpos devem possuir materiais diferentes, ou seja, não devem ter as mesmas propriedades de ganhar ou perder elétrons.Para o cálculo, achamos conveniente usarmos o campo elétrico máximo, e este sendo quando ocorre a rigidez dielétrica. Obtivemos o valor do campo e constante utilizada de acordo com a literatura de (Paul Tipler).
6.CONCLUSÃO
Foi concluído que houve umatransferência de cargaspelaação do atrito do filme de PVC com o Pneu, ficando carregadospor estática. Essa carga produz um campo elétrico nulo e uma diferença de potencial constante, porem quando em contato com outro corpo que esteja aterrado, gera um diferencial de potencia que pode ser medido e descarregado eletrostaticamente por contato ou parcialmente por indução caso romper o dielétrico do ar. Quando sentimos um choque de eletricidade estática, estaremos experimentando uma descarga de no mínimo 3.000 volts.
É importante ressalta que os resultados obtidos foram apenas teóricos, pois para ter valores experimentais necessitaríamosde instrumentos adequados.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; E. WALKER, J. Fundamentos da Física III. 7ª edição. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2006.
- CLAYTON R. Paul. Eletromagnetismo para Engenheiros, Bookman, 2006.
- HAYT, Jr. William H. Eletromagnetismo. 6ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2000/2003.