Capacitância: Definição, Fórmula e Unidades

Assim como as baterias permitem o armazenamento portátil de energia, os capacitores permitem o armazenamento temporário de energia e são componentes essenciais de muitos circuitos.

Eles permitem que grandes quantidades de cargas sejam separadas umas das outras e liberadas em uma explosão repentina de energia, para uso em dispositivos como câmeras com flash, bem como para mediar outros processos eletrônicos, como a conversão entre fontes de energia CA e CC ou carregar e descarregar campos magnéticos, o que é útil para sintonizar o rádio estações.

Capacitância é uma medida da capacidade de um material não condutor de armazenar energia criando uma separação de carga por meio de uma diferença de potencial (voltagem). O material deve ser não condutor, como o vidro ou um cano de PVC, porque senão as cargas fluiriam por ele, impossibilitando a separação.

Matematicamente, a capacitância de um objetoCé igual à razão de cargaQpara voltagemV​.

A unidade SI de capacitância é o

Qualquer parte de um circuito que separa a carga desta forma é chamada decapacitor. Assim, seguindo a equação acima, qualquer dada capacitância de um capacitorCconectado a uma bateria com uma diferença de potencialV, armazenará carga elétricaQ​.

Um tipo comum de capacitor é umcapacitor de placa paralela. Nesse dispositivo, duas placas de material condutor (como um metal) são mantidas, como o nome sugere, paralelas uma à outra a alguma distância. Entre os pratos está ummaterial dielétrico, também chamado dematerial isolante​.

Isso é algo que não permite que as cargas fluam através dele e, portanto, pode se tornar polarizado - as cargas dentro dele reoriente para que todos os pontos positivos fiquem juntos de um lado e todos os negativos do outro - na presença de um dispositivo elétrico campo.

Qualquer um pode criar um capacitor de placa paralela simples usando duas folhas de metal como placas e várias folhas de papel como isolador imprensado entre elas.

A capacitância de um capacitor de placa paralela depende da área de uma das placas, ouUMA; a separação entre elesd; e a constante dielétricaκdo material entre eles desta forma:

O termo ε₀ ("nada épsilon") é opermissividadede espaço livre, que é uma constante igual a 8,854 × 10^-12 farads por metro (F / m). A constante dielétricaκé uma quantidade sem unidades que pode ser consultada em uma tabela, como a que está vinculada a este artigo.

Nem todos os tipos de capacitores requerem placas paralelas. Alguns são cilíndricos, como um cabo coaxial, ou esféricos, como uma membrana celular (que acaba segurando uma carga ao bombear íons de potássio positivos para fora da célula e íons de cloreto negativos para dentro dela).

Um cabo coaxial é amplamente usado para fornecer dados de vídeo, áudio e comunicações. Seu design cilíndrico consiste em várias camadas de materiais dielétricos isolantes entre folhas condutoras fortes, geralmente cobre, todas enroladas como um rolo de gelatina.

Isso permite que o cabo transporte até mesmo sinais elétricos fracos sem degradação em longas distâncias. Além disso, como as camadas isolantes e condutoras são enroladas, um cabo coaxial é capaz de fornecer este armazenamento de energia em um espaço relativamente pequeno - certamente em um volume menor do que os capacitores de placa paralela posso.

Uma aplicação comum de capacitores é em um circuito RC, assim chamado porque contém um resistor e um capacitor. Suponha que dois componentes do circuito estejam conectados em paralelo, com uma chave permitindo que o circuito seja conectado em um dos dois loops únicos possíveis: fonte de tensão mais capacitor ou capacitor mais resistor.

Quando o capacitor é conectado à fonte de tensão, a corrente flui no circuito e começa a acumular uma carga armazenada. Quando a chave é virada e o capacitor é conectado ao resistor, ele irá descarregar e aquecer o resistor.

A tensão, ou diferença de potencial, através do capacitor quando ele está carregando é:

Onde ambosV_capacitoreV_fontesão tensões em volts eté o tempo em segundos. A constante de tempoRCé o produto da resistência e capacitância do circuito, o que implica que quanto maior o resistor ou o capacitor, mais tempo levará para carregar ou descarregar. Sua unidade também está em segundos.

No processo reverso (ao descarregar), a equação é semelhante:

OndeV₀é a tensão inicial carregada do capacitor antes de começar a descarregar.

Porque a carga leva tempo para acumular e liberar, e esse tempo depende das propriedades de elementos do circuito, um circuito RC é útil em muitos dispositivos elétricos que requerem tempo. Alguns exemplos comuns são: câmeras com flash, marca-passos e filtros de áudio.

Exemplo 1: Qual é a capacitância de um capacitor de placa paralela feito de dois 0,25 m² placas de alumínio separadas por 0,1 m com Teflon a 20 graus Celsius?

Dada a área de uma placa, a separação e o material dielétrico, comece procurando a constante dielétrica do Teflon. A 20 graus Celsius, é 2,1 (lembre-se, não tem unidades!).

Resolvendo para capacitância:

Exemplo 2: Quanto tempo leva para carregar um 100-µF (10^-6 farads) capacitor para 20 V quando conectado a uma bateria de 30 V e em circuito com um resistor de 10 kΩ (1.000 Ohms)?

Comece convertendo a capacitância e a resistência em suas unidades SI e, em seguida, calcule a constante de tempo RC:

C = 100 µF = 0,0001 F

R = 10 kΩ = 10.000 Ω

RC = 0,0001 F × 10.000 Ω = 1 segundo

Então, usando a fórmula para um capacitor de carga e resolvendo o tempot​:

Capacitores e baterias podem parecer semelhantes, pois ambos são capazes de armazenar e liberar carga eletrônica. Mas eles têm várias diferenças principais que os levam a ter diferentes vantagens e desvantagens.

Primeiro, um capacitor armazena energia em um campo elétrico carregado, enquanto uma bateria armazena energia em produtos químicos, liberando-a por meio de reação química. Por causa dessas diferenças materiais, uma bateria pode armazenar mais energia do que um capacitor do mesmo tamanho.

No entanto, a reação química necessária para liberar essa energia é normalmente mais lenta do que a liberação de cargas através do campo elétrico em um capacitor. Portanto, um capacitor pode carregar e descarregar muito mais rapidamente do que uma bateria, fornecendo mais energia elétrica em um curto jato. Um capacitor também é normalmente mais durável do que uma bateria, o que o torna mais amigável ao meio ambiente.

Por todos esses motivos, os engenheiros hoje buscam aumentar os limites de armazenamento dos capacitores e diminuir os tempos de carga e descarga das baterias. Até então, os dispositivos costumam ser usados ​​juntos. Por exemplo, o flash de uma câmera e um marca-passo usam uma bateria e um capacitor para fornecer energia de longa duraçãoeentregue-o em rajadas rápidas em tensões mais altas.

Os capacitores são freqüentemente usados ​​em circuitos para suavizar ou mediar as mudanças de voltagem que um dispositivo experimentaria. Por exemplo, a maior parte da energia fornecida a uma casa vem em uma fonte de corrente alternada (AC), que fornece uma tensão "irregular", embora a maioria dos eletrodomésticos exija um fornecimento de energia de corrente contínua (DC).

Capacitores na parede ajudam a transformar o sinal de CA em CC para esses dispositivos. A tensão de entrada carrega o capacitor, e quando ele começa a alternar para uma tensão mais baixa, o capacitor começa a descarregar parte de sua energia armazenada. Isso permite que o dispositivo do outro lado continue experimentando uma tensão mais constante do que sem o capacitor.

Capacitores também são úteis em dispositivos onde certas frequências de sinais eletrônicos podem precisar ser filtradas, digamos, um amplificador de rádio ou um mixer de áudio. Por exemplo, um capacitor no circuito pode direcionar sons de baixa e alta frequência para diferentes partes de um alto-falante, como o subwoofer ou o tweeter. Ou, um alto-falante de rádio usando capacitores para separar frequências pode amplificar algumas, mas não outras, reforçando assim o sinal da estação desejada em que o rádio está sintonizado.

​Decoupling em um circuito integrado.Um dos usos mais onipresentes de um capacitor é em um circuito integrado - o pequeno circuito placa contendo todos os componentes elétricos usados ​​para alimentar a maioria dos produtos eletrônicos de consumo, como smartphones. Lá, o capacitor funciona como uma espécie de escudo, protegendo outros componentes eletrônicos de a voltagem cai e agindo como pequenas fontes de alimentação temporárias quando o fornecimento é momentaneamente interrompido, com frequência acontece.

Semelhante a como ajudam a fornecer corrente contínua para eletrodomésticos, os capacitores amortecem as mudanças de voltagem para os eletrônicos além deles no circuito; eles "absorvem" a tensão extra e, por sua vez, liberam o excesso de tensão quando o fornecimento começa a cair.

Os capacitores de desacoplamento em circuitos integrados removem especificamente as mudanças de alta frequência na tensão (uma vez que podem absorver parte da mudança de tensão que passa por eles). Isso resulta no resto dos componentes do circuito experimentando uma quilha de tensão mais uniforme nos níveis necessários para sua operação correta.

​Capacitores como sensores.Como o projeto do capacitor depende dos materiais usados, que por sua vez têm propriedades condutivas diferentes em diferentes condições, os capacitores são componentes importantes em sensores eletrônicos.

Por exemplo, um sensor de umidade usa um material dielétrico como um plástico ou polímero que muda sua condutância de forma confiável com a mudança dos níveis de umidade. Assim, ao ler a condutância através desse dielétrico, o sensor deduz a umidade relativa.

Da mesma forma, alguns sensores de nível de combustível, incluindo aqueles em aviões, usam capacitores para medir quanto combustível resta no tanque. Nestes dispositivos, o próprio combustível serve como dielétrico. Uma vez que cai para um nível baixo o suficiente, a condutividade muda e o piloto é alertado.

Talvez ainda mais comuns sejam os interruptores capacitivos usados ​​em dispositivos com tela sensível ao toque. Quando o dedo de uma pessoa toca uma tela, ele descarrega uma pequena quantidade de carga, alterando assim a condutância do dispositivo de forma mensurável e localizada em um local específico. Isso também explica por que usar luvas interfere na rolagem em um smartphone - a lã ou o algodão em uma luva é um ótimo isolante, evitando que as cargas nos dedos saltem para a tela.