Capacitores

Capacitores

Fundamentos sobre o Capacitor

Os Capacitores são dispositivos que armazenam energia elétrica em um campo elétrico.

Os Capacitores permitem um maior fluxo de corrente a medida que a frequência do sinal elétrico aumenta, se comportando como um circuito aberto na presença de uma corrente contínua. Para um sinal senoidal, a fase da corrente é adiantada de 90 graus em relação a tensão.

Nos circuitos elétricos o capacitor é representado pela letra C e é medido em Faraday (F). O Faraday é uma unidade muito grande, portanto, é muito comum usar submúltiplos para especificar a maioria dos capacitores utilizados em circuitos eletrônicos, como μF, nF e pF.

Um capacitor é formado por duas placas condutoras separadas por um material isolante, chamado dielétrico. A carga de um capacitor é criada pela acumulação ou depleção de elétrons livres em cada placa condutora, produzindo um campo elétrico no dielétrico, e, por consequência, produzindo um tensão elétrica entre as placas.

O símbolo do capacitor nos faz lembrar que a capacitância ocorre sempre que as placas condutoras estiverem separadas por um material dielétrico.

Entre outras aplicações, os capacitores são utilizados em circuitos eletrônicos para acoplamento CA, isolando o circuito de polarização dos circuitos alimentados por fontes CC, do sinal CA manipulado pelo circuito. Outra aplicação importante dos capacitores é para implementar filtros de sinal.

Carga elétrica, tensão e corrente sobre um capacitor

Uma quantidade carga elétrica (Q), medida em Coulombs, sobre um capacitor, produz uma tensão (V) entre as placas, em função da capacitância (C), segundo a relação:

$V={\frac {Q}{C}}$

ou, isolando a carga elétrica:

$Q=CV$

A definição de corrente elétrica é dada como a quantidade de carga elétrica (Coulomb) que circula em um condutor por unidade de tempo (segundos). É expressa matematicamente como a derivada da carga elétrica no tempo:

$i(t)={\frac {dq(t)}{dt}}$

ou, usando a expressão da carga em função da tensão em um capacitor, podemos expressar a corrente no capacitor como:

$i(t)=C{\frac {dv(t)}{dt}}$

ou seja, a corrente no capacitor é função da derivada da tensão no tempo, multiplicada pela capacitância.

A derivada indica que a corrente elétrica no capacitor é maior quanto maior for a variação da tensão. Desta forma, para uma tensão senoidal, quanto maior a frequência da onda, maior o fluxo da corrente em um capacitor. Para uma tensão constante, a corrente no capacitor é zero.

Fundamentos sobre o Circuito RC

Num circuito RC série, quando um degrau de tensão é aplicado, inicialmente toda tensão aparece toda sobre o resistor, pois o capacitor está descarregado e a tensão sobre ele é zero. A corrente inicial que fluirá no circuito será dada pela Lei de Ohm (I = V / R) e vai ser responsável por iniciar a carga do capacitor. A medida que o capacitor vai sendo carregado, a tensão sobre ele vai aumentando, diminuindo a tensão resultante sobre o resistor, segundo a Lei de Kirchhoff das Malhas, e, consequentemente, diminuindo também a corrente no circuito. Quanto o capacitor se carregar totalmente, a tensão de 5V estará toda sobre o capacitor e a corrente no circuito será reduzida a zero.

O processo de carga do capacitor segue uma curva que desacelera exponencialmente a medida que a tensão sobre o capacitor aumenta. A taxa de crescimento da carga do capacitor depende do produto RC, chamado de constante de tempo, dada em segundos, e é representado pela letra grega tau (τ). No tempo de uma constante de tempo o capacitor é carregado com 63% de sua carga. Em cinco constantes de tempo a carga do capacitor chega a 99.3%. O tempo da carga total tende ao infinito, entretanto, na prática, considera-se que em cinco constantes de tempo o capacitor está carregado.

Por exemplo, para um circuito com C = 47 μF e R = 100 KΩ, a constante de tempo calculada é de 4.7 segundos. Desta forma, a carga/descarga do capacitor, em cinco constantes de tempo, fica em cerca de 23,5 segundos.

Num circuito RC série, a tensão sobre o capacitor (V_C), em função da tensão total aplicada no circuito (V_T) é dada pela expressão:

$V_{C}(t)=V_{T}(1-e^{-t/\tau })$

Laboratório

Laboratório: Capacitores e Circuitos RC

Referências

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Evandro.cantu (discussão) 13h53min de 10 de setembro de 2021 (-03)

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