Relatório sobre capacitores

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Capacitores e transferência de cargas
Marcela Vitória Silva Oliveira *
Davis Denner Costa Silva †
DISCIPLINA: FÍSICA III - PROF. FRANCISCO ROMERO
CURSO DE LICENCIATURA EM FÍSICA - IFTO
18 de dezembro de 2020
1 Capacitores e suas propriedades
Existem diversas maneiras de armazenamento de energia atualmente, como por exemplo: bombe-
amento hidrelétrico, ar comprimido, armazenamento térmico, baterias ou capacitores. Um capacitor,
tema desse relatório, "é um dispositivo eletro-eletrônico que serve para armazenar energia elétrica
no campo elétrico existente no seu interior"[4], podendo ser utilizado em máquinas fotográficas, la-
sers, receptores de rádio, aparelhos de telecomunicação, televisões e tendo diferentes formas, como
capacitores esféricos, cilíndricos ou planos.
É possível construir capacitores experimentalmente para estudo em sala de aula ou até mesmo
em casa (com o devido cuidado), como por exemplo o experimento estudado nesse relatório: um
capacitor de folhas de papel e fios metálicos, que ao serem conectados a uma bateria, existindo uma
transferência de carga e armazenando essa carga no capacitor, torna possível acender um led por
alguns segundos com o auxílio do capacitor carregado.
Os capacitores são feitos a partir de condutores separados por um material isolante (dielétrico),
que ao existir uma tensão (diferença de energia potencial elétrica entre dois pontos por unidade de
carga) entre esses condutores, um campo elétrico é formado no dielétrico, capaz de armazenar energia.
Capacitores utilizados em produtos eletrônicos têm os dois condutores revestidos (por materiais que
podem variar desde cerâmica até poliéster) com dois fios saindo desse revestimento, onde é obtido o
acesso elétrico, como na figura 1 a seguir:
Figura 1: Capacitor Cerâmico. (Fonte: Athos Eletronics)
Quando o capacitor possui uma carga armazenada, dizemos que seus condutores estão carregados
com a mesma carga, mas de diferentes sinais, essa quantidade de energia elétrica na forma de carga
*marcelavit21@gmail.com
†davis93denner@gmail.com
1
armazenada em um capacitor se chama capacitância e pode ser expressa através da razão da sua carga
elétrica e diferença de potencial, como na equação 1 (para um capacitor sem dielétrico):
C =
Q
V
(1)
A unidade de medida da capacitância é dada em Farad (coulomb por volt), em homenagem ao
físico e químico Michael Faraday (1791 - 1867), conhecido pelo seu trabalho com eletricidade e
magnetismo [2].
Os capacitores tem valores máximos de tensão aos quais podem ser submetidos, por exemplo:
ao ser submetido a um campo elétrico muito intenso, o dielétrico pode sofrer uma ruptura dielétrica,
onde ele se torna um condutor (assim como qualquer material), por isso, os capacitores possuem um
valor de voltagem máxima impresso sobre seu material, chamado rigidez dielétrica, caso a tensão
sob o capacitor ultrapasse seu valor máximo, o mesmo pode queimar [5]. A rigidez dielétrica é
influenciada por diversos fatores, como temperatura, impurezas ou irregularidades. Devido a isso, os
capacitores podem ser associados de maneira que aumente a sua capacitência quando um único valor
não é suficiente, eles podem ser ligados em paralelo ou em série [3].
⇒ Associação em paralelo: os capacitores recebem a mesma tensão entretanto com cargas dife-
rentes, a soma de capacitância em paralelo é dada pela equação 2:
C =C1 +C2 +Cn... (2)
⇒ Associação em série: os capacitores recebem tensões diferentes mas têm cargas iguais, a capa-
citância é calculada pela equação 3:
1
C
=
1
C1
+
1
C2
+
1
Cn
... (3)
As associações são feitas como na figura 2, respectivamente em série e em paralelo:
Figura 2: Exemplos de associações em série e em paralelo. (Fonte: Mussoi)
O cálculo da capacitância depende das características físicas do capacitor, seja ele cilíndrico, de
esférico ou de placas paralelas, que é o capacitor produzido neste experimento. A equação para o
capacitor de placas paralelas é dado pela equação 4, considerando a área das placas, a constante
dielétrica e a distância entre as placas.
C =
KεA
d
(4)
K é a constante dielétrica (onde K "é a relação entre a permissividade do dielétrico do material
em uso da permissividade do vácuo"[4]) e ε é a permissividade elétrica do vácuo, no valor de 8,85×
10−12. Nota-se que a constante dielétrica K é diretamente proporcional a capacitância, ou seja, se o
material tiver sua unidade diélétrica alta, a capacitância também aumentará. A capacitância depende
de fatores geométricos: aumenta com a área e diminui com a distância entre os condutores, como visto
na equação 4, além de não depender da carga e da tensão do capacitor, pois o meio dielétrico reduz
2
o campo elétrico (na região do dielétrico) através da polarização de cargas no dielétrico, negativas
na interface com a placa positiva e positivas na interface com a placa negativa [3], como na figura
seguinte 3.
Figura 3: Cargas de polarização no dielétrico. σb é a densidade de cargas de polarização no dielétrico, e σf
é a densidade de cargas livres nas placas metálicas. (Fonte: Instituto de Física de São Carlos)
A permissividade do vácuo é a capacidade de polarização do dielétrico sob a ação de um campo
elétrico, ou seja, quando moléculas polares estão sob ação de um campo elétrico externo, elas se
redistribuem separando as cargas positivas e negativas, reduzindo a intensidade no interior do material
[4].O dielétrico é importante para o capacitor pois permite que o capacitor acumule maior quantidade
de carga e energia no seu interior [5]. Cada material possui um valor de constante dielétrica diferente,
como na figura 4:
Figura 4: Constante dielétrica K para diversos materiais. (Fonte: Mussoi)
2 Material Utilizado
Os materiais utilizados para desenvolver o capacitor são mencionados na lista a seguir:
• Tesoura
• Fita isolante
3
• 21 centímetros de tiras de papel
• 19,5 centímetros de altura e 3,5 centímetros de largura de tiras alumínio
• 19 centímetros de fios condutores
3 Descrição do Aparato Experimental
Inicialmente, cortou-se duas tiras de folha de papel e de folha de alumínio e foram desencapados
dois fios condutores, como na figura 5.
Figura 5: Materiais utilizados. (Fonte: Acervo pessoal)
Em seguida, posicionou-se a primeira tira de papel sob a bancada e sob a primeira tira de papel
colocou-se uma tira de folha alumínio, após isso a ponta de um fio condutor desencapado, foi posici-
onado na parte inferior do experimento. Logo após, posicionou-se a outra tira de papel sob a estrutura
já feita e para finalizar a última camada do capacitor colocou-se uma tira de folha de alumínio, como
uma das pontas do fio condutor desencapado sob a parte superior do experimento. Posteriormente,
enrolou-se as tiras de folha papel e alumínio, junto com as pontas dos fios condutores. Por fim selou-se
a estrutura com uma fita isolante, como mostra a figura 6.
Figura 6: Experimento motando. (Fonte: Acervo Pessoal)
4 Análise e Resultados
Devido a algumas limitações práticas e medidas de segurança não foi possível verificar o funci-
onamento do capacitor. Mas ainda assim é possível medir a capacitância de um capacitor dielétrico
com placas paralelas, através da equação 5 abaixo.
C =
KεA
d
(5)
4
A constante dielétrica do papel é de 3,5 (como descrito na figura 4), a distância entre as placas é
de 0,1 mm e a área das placas condutoras é calculada por:
A = 3,5×19,5 = 68,2×10−4m2 (6)
Logo:
C =
3,5 · 8,85×10−12 · 68,2×10−4
0,01×10−3
= 2,11×10−9F (7)
Sendo 2,11 nF a capacitância do capacitor construído nesse experimento. Após encontrar a capa-
citância podemos também encontrar a energia que pode ser armazenada no capacitor, com a equação
8 abaixo, supondo que o mesmo fosse ligado a uma fonte de tensão de 12 V.
U =
1
2
C V =
1
2
2,11×10−9 ·122 = 1,52×10−7J (8)
5 Conclusões
Conclui-se que mesmo não sendo possível verificar o funcionamento do capacitor na prática,
devido a algumas limitações e medidas de segurança, foi possível compreender que os materiais
utilizados na construção de umcapacitor influenciam diretamente na capacitância e consequentemente
na energia que pode ser armazenada pelo mesmo.
Referências
[1] Athos Eletronics. Capacitor – O que é, como funciona, carga e descarga. Disponível em:
<https://athoselectronics.com/capacitor/>, acesso em 14 de dez, 2020.
[2] DIAS, V. S.; MARTINS, R. A. MICHAEL FARADAY: O CAMINHO DA LIVRARIA À
DESCOBERTA DA INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA. Ciência Educação, v. 10, n. 3, p.
517-530, 2004.
[3] Instituto de Física de São Carlos. Capacitância e Capacitores. São Paulo: Universidade Federal
de São Paulo, 2010.
[4] MUSSOI, F. L. R.; VILLAÇA. M. V. M. Capacitores. Florianópolis: Centro Federal de Educa-
ção tecnológica de Santa Catarina, 2000.
[5] YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A. Física III. 12a ed. São Paulo, Addison Wesley,
2008;
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	Capacitores e suas propriedades
	Material Utilizado
	Descrição do Aparato Experimental
	Análise e Resultados
	Conclusões