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09/09/12
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Capacitor
Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.
Capacitor (português brasileiro) ou condensador (português
europeu) é um componente que armazena energia num campo
elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga
elétrica.
Historicamente, a ideia de seu uso baseia-se na Garrafa de
Leiden inventada acidentalmente em 1746 por Pieter van
Musschenbroek na cidade de Leyden na Holanda.[1]
Índice
1 História
1.1 Corrente de Deslocamento
2 Física do capacitor
2.1 Visão geral
2.2 Capacitância
2.3 Energia
2.4 Circuitos elétricos
2.5 Associação de capacitores
2.5.1 Ligação em Paralelo
2.5.2 Ligação em Série
3 Capacitores na prática
3.1 Capacitores comuns
3.2 Identificação do valor no capacitor
cerâmico
3.3 Identificação do valor no capacitor de
poliéster
3.4 Capacitores variáveis
3.5 Capacitores de Camada Dupla Elétrica
(EDLCs)
4 Aplicações
5 Ver também
6 Referências
Exemplos de capacitores. A escala principal é
dada em centímetros.
História
Em outubro de 1745, Ewald Georg von Kleist, descobriu que uma carga poderia ser armazenada, conectando
um gerador de alta tensão eletrostática por um fio a uma jarra de vidro com água, que estava em sua mão.[1] A
mão de Von Kleist e a água agiram como condutores, e a jarra como um dielétrico (mas os detalhes do
mecanismo não foram identificados corretamente no momento). Von Kleist descobriu, após a remoção do
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gerador, que ao tocar o fio, o resultado era um doloroso choque. Em uma carta descrevendo o experimento,
ele disse: "Eu não levaria um segundo choque para o reino de França".[2] No ano seguinte, na Universidade de
Leiden, o físico holandês Pieter van Musschenbroek inventou um capacitor similar, que foi nomeado de Jarra de
Leyden.[3]
Daniel Gralath foi o primeiro a combinar várias jarras em paralelo para aumentar a capacidade de
armazenamento de carga. Benjamin Franklin investigou a Jarra de Leyden e "provou" que a carga estava
armazenada no vidro, e não na água como os outros tinham suposto. Ele também adotou o termo "bateria"[4][5],
posteriormente aplicada a um aglomerados de células eletroquímicas.[6]
Jarras de Leyden foram utilizados exclusivamente até cerca de 1900, quando a invenção do wireless (rádio)
criou uma demanda por capacitores padrão, e o movimento constante para frequências mais altas necessitavam
de capacitores com baixa indutância.
No início capacitores também eram conhecidos como condensadores, um termo que ainda é utilizado
atualmente. O termo foi usado pela primeira vez por Alessandro Volta em 1782, com referência à capacidade
do dispositivo de armazenar uma maior densidade de carga elétrica do que um condutor normalmente
isolado.[7]
Corrente de Deslocamento
O físico James Clerk Maxwell inventou o conceito de corrente de deslocamento, dD/dt, para tornar a Lei de
Ampère consistente com a conservação de carga em casos em que a carga se acumula, como por exemplo num
capacitor. Ele interpretou este fenômeno como um movimento real de cargas, mesmo no vácuo, onde ele supôs
que corresponderia ao movimento de cargas de um dipolo no éter. Embora essa interpretação tenha sido
abandonada, a correção de Maxwell à lei de Ampere permanece válida (um campo elétrico variável produz um
campo magnético).
A corrente de deslocamento deve ser incluída, por exemplo, para aplicação das Leis de Kirchhoff a um
capacitor.
Física do capacitor
Visão geral
Os formatos típicos consistem em dois eletrodos ou placas que armazenam cargas opostas.[8] Estas duas placas
são condutoras e são separadas por um isolante ou por um dielétrico. A carga é armazenada na superfície das
placas, no limite com o dielétrico. Devido ao fato de cada placa armazenar cargas iguais, porém opostas, a
carga total no dispositivo é sempre zero.
Capacitância
A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático
é chamada de capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q)
armazenada pela diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas:[8]
Pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), um capacitor tem a capacitância de um farad (F) quando um
coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um volt (V) entre as placas. O farad é uma unidade de
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medida considerada muito grande para circuitos práticos, por
isso, são utilizados valores de capacitâncias expressos em
microfarads (μF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF).[9]
A equação acima é exata somente para valores de Q muito
maiores que a carga do elétron (e = 1,602 × 10−19 C). Por
exemplo, se uma capacitância de 1 pF fosse carregada a uma
tensão de 1 µV, a equação perderia uma carga Q = 10−19 C,
mas isto seria impossível já que seria menor do que a carga
em um único elétron. Entretanto, as experiências e as teorias
recentes sugerem a existência de cargas fracionárias.
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:
onde
Quando uma diferença de potencial V = Ed é
aplicada às placas deste capacitor simples, surge
um campo elétrico entre elas. Este campo elétrico é
produzido pela acumulação de uma carga nas
placas.
C é a capacitância em farad
ε0 é a permissividade eletrostática do vácuo ou espaço
livre
εr é a constante dielétrica ou permissividade relativa do isolante utilizado.
Energia
A energia (no SI, medida em Joules) armazenada em um capacitor é igual ao trabalho feito para carregá-lo.
Considere um capacitor com capacitância C, com uma carga +q em uma placa e -q na outra. Movendo um
pequeno elemento de carga dq de uma placa para a outra contra a diferença de potencial V = q/C necessita de
um trabalho dW:
Nós podemos descobrir a energia armazenada em um capacitor integrando essa equação. Começando com um
capacitor descarregado (q=0) e movendo carga de uma placa para a outra até que as placas tenham carga +Q
e -Q, necessita de um trabalho W:
Circuitos elétricos
Os elétrons não podem passar diretamente através do dielétrico de uma placa do capacitor para a outra.
Quando uma tensão é aplicada a um capacitor através de um circuito externo, a corrente flui para uma das
placas, carregando-a, enquanto flui da outra placa, carregando-a, inversamente. Em outras palavras, quando a
Tensão que flui por um capacitor muda, o capacitor será carregado ou descarregado. A fórmula corrente é
dada por
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Onde I é a corrente fluindo na direção convencional, e
dV/dt é a derivada da tensão, em relação ao tempo.
No caso de uma tensão contínua (DC ou também
designada CC) logo um equilíbrio é encontrado, onde a
carga das placas correspondem à tensão aplicada pela
relação Q=CV, e nenhuma corrente mais poderá fluir pelo
circuito. Logo a corrente contínua (DC) não pode passar.
Entretanto, correntes alternadas (AC) podem: cada
mudança de tensão ocasiona carga ou descarga do
capacitor, permitindo desta forma que a corrente flua. A
quantidade de "resistência" de um capacitor, sob regime
AC, é conhecida como reatância capacitiva, e a mesma
varia conforme varia a frequência do sinal AC. A reatância
capacitiva é dada por:
Onde:
XC = reatância capacitiva, medida em ohms
f = frequência do sinal AC, em Hertz - Hz
C = capacitância medida em Farads F
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.)
O tempo de carga de um condensador é definido pela expressão: T = R x C (Ver: [10])
É denominada reatância pois o capacitor reage a mudanças na tensão, ou diferença de potencial.
Desta forma a reatância é proporcionalmente inversa à frequência do sinal. Como sinais DC (ou CC) possuem
frequência igual a zero, a fórmula confirma que capacitores bloqueiam completamente a corrente aplicada
diretamente, após um determinado tempo, em que o capacitor está carregando. Para correntes alternadas (AC)
com frequências muito altas a reatância, por ser muito pequena, pode ser desprezada em análises aproximadas
do circuito.
A impedância de um capacitor é dada por:
cujo j é o número imaginário.
Portanto, a reatância capacitiva é o componente imaginário negativo da impedância.
Em um circuito sintonizado tal como um receptor de rádio, a frequência selecionada é uma função da indutância
(L) e da capacitância (C) em série, como dado em
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Essa é a frequência na qual a ressonância ocorre, em um circuito RLC em série.
Associação de capacitores
Ligação em Paralelo
Num circuito de condensadores montados em paralelo todos estão sujeitos à mesma diferença de potencial
(tensão). Para calcular a sua capacidade total (Ceq ):
Ligação em Série
A corrente que flui através de capacitores em série é a mesma, porém cada capacitor terá uma queda de tensão
(diferença de potencial entre seus terminais) diferente. A soma das diferenças de potencial (tensão) é igual a
diferença de potencial total. Para conseguir a capacitância total:
Na associação mista de capacitores, tem-se capacitores associados em série e em paralelo. Nesse caso, o
capacitor equivalente deve ser obtido, resolvendo-se o circuito em partes, conforme a sua configuração. Por
isso, calcule, antes associação de capacitores em série para após efetuar o cálculo dos capacitores em paralelo.
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)
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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 correntes altas.
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
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). [11]
Identificação do valor no capacitor de poliéster
Identificação de valor no capacitor
cerâmico
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.
[12]
Capacitores variáveis
Tabela de tolerância no capacitor cerâmico
Há dois tipos distintos de capacitores variáveis, cujas
capacitâncias podem ser mudadas intencionalmente e repetidamente ao longo da vida do dispositivo:
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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
ou varicaps. Qualquer diodo exibe esse efeito, mas
dispositivos vendidos especificamente como varactores
têm uma área de junção grande e um perfil de dopagem
Tabela para identificação dos valores do
especificamente dimensionado para maximizar a
capacitor de poliéster
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.
Capacitores de Camada Dupla Elétrica
(EDLCs)
Esses dispositivos, frequentemente chamados de
supercapacitores ou ultracapacitores para simplificar, são
capacitores que usam uma camada de eletrolítico de espessura
molecular, ao invés de uma folha manufaturada de material,
como o dielétrico. Como a energia armazenada é inversamente
proporcional à espessura do dielétrico, esses capacitores têm
uma densidade de energia extremamente alta. Os eletrodos são
Capacitor variável de sintonia de rádio
feitos de carbono ativado, que tem uma área de superfície alta
por unidade de volume, aumentando a densidade de energia do
capacitor. EDLCs individuais têm capacitâncias de centenas ou até milhares de farads.
Os EDLCs podem ser usados como substitutos para baterias em aplicações em que uma grande corrente de
descarga seja necessária. Eles também podem ser recarregados centenas de milhares de vezes, diferentemente
das baterias convencionais que duram apenas algumas poucas centenas ou milhares de ciclos de recarga.
Aplicações
Capacitores são comumente usados em fontes de energia onde elas suavizam a saída de uma onda retificada
completa ou meia onda.
Por passarem sinais de Corrente Alternada mas bloquearem Corrente Contínua, capacitores são
frequentemente usados para separar circuitos Corrente alternada de corrente continua. Este método é
conhecido como acoplamento AC.
Capacitores também são usados na correção de fator de potência. Tais capacitores frequentemente vêm como
três capacitores conectados como uma carga trifásica. Geralmente, os valores desses capacitores não são
dados pela sua capacitância, mas pela sua potência reativa em var.
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Ver também
Eletromagnetismo
Eletricidade
Eletrônica
Indutor
Supercapacitores
A Wikipédia possui o portal:
Portal de eletrônica
Referências
1. ↑ a b Henry Smith Williams. A History of Science Volume II, Part VI: The Leyden Jar Discovered
(http://www.worldwideschool.org/library/books/sci/history/AHistoryofScienceVolumeII/chap49.html) (em
inglês).
2. ↑ HOUSTON, Edwin J.. Electricity in Every-day Life (http://books.google.com/?
id=ko9BAAAAIAAJ&pg=PA71&dq=jar+%22von+Kleist%22) . [S.l.]: P. F. Collier & Son, 1905.
3. ↑ KEITHLEY, Joseph. The Story of Electrical and Magnetic Measurements From 500 BC to the 1940s
(http://books.google.com/?id=uwgNAtqSHuQC&printsec=frontcover&q) . [S.l.]: IEEE Press, 1999. p. 23.
ISBN 0-7803-1193-0
4. ↑ ISAACSON, Walter. Benjamin Franklin (http://books.google.com/?
id=oIW915dDMBwC&lpg=PA135&dq=%22benjamin%20franklin%22%20leyden%20jar&pg=PA136#v=onep
age&q=) . [S.l.]: Simon and Schuster, 2003. p. 136. ISBN 0684807610, 9780684807614
5. ↑ Benjamin Franklin. Experiments & Observations on Electricity: Letter IV to Peter Collinson
(http://www.chemteam.info/Chem-History/Franklin-1749/Franklin-1749-all.pdf) (PDF) (em inglês) pp. 28.
6. ↑ Robert A. Morse. Franklin and Electrostatics—Ben Franklin as my Lab Partner
(http://www.tufts.edu/as/wright_center/personal_pages/bob_m/04_Franklin_Lab_Part_IV.pdf) (em inglês) pp.
23.
7. ↑ Sketch of Alessandro Volta (http://books.google.com/books?
id=eCADAAAAMBAJ&pg=PA117&source=gbs_toc_r&cad=1#v=onepage&q&f=false) . The Popular
Science Monthly (Maio/Outubro de 1892).
8. ↑ a b Ulaby, p.168
9. ↑ Marco Aurélio da Silva. Capacitores (http://www.brasilescola.com/fisica/capacitores.htm) . Brasil Escola.
10. ↑ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/capchg.html
11. ↑ Código de resistores e capacitores (http://www.feiradeciencias.com.br/sala15/15_28.asp) .
12. ↑ Conhecendo capacitores (http://www.py2bbs.qsl.br/capacitores.php) .
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