O capacitor é um dos principais componentes na área da elétrica/eletrônica. Provavelmente, você já deve ter visto um, porque ele existe em praticamente qualquer circuito. Portanto, vamos aprender o que ele é e como funciona, bem como suas aplicações.
O que é
De modo geral, o capacitor é um componente constituído de dois condutores separados por um meio isolante. Um meio que não permite a passagem de corrente. Sendo assim, existem muitas formas de se criar um capacitor. E a mais simples é composta por duas placas paralelas com vácuo entre elas. Veja a imagem abaixo:
No caso da imagem, a diferença é que o meio não é o vácuo, mas sim um dielétrico (também é isolante).
Quando conectados a um circuito, eles são capazes de: armazenar cargas elétricas (ou energia elétrica) ou descarregar sua energia interna. Ou seja, ele pode ser comparado com uma bateria, mas que carrega e descarrega muita mais rápido relativamente.
Já na vida real, a aparência do capacitor pode ser bem diferente da imagem anterior. O tipo mais comum de vermos é o da imagem abaixo:
Este, recebe o nome de capacitor eletrolítico. Internamente, ele apresenta uma estrutura diferente do normal:
É possível perceber que ainda existem as placas, porém estão enroladas. Dessa forma, podemos ter altos valores de capacitância (conceito explicado no tópico seguinte) em um espaço menor.
Tipos de capacitor
Dentre os principais tipos, estão:
- Eletrolítico
- Cerâmico
- Poliéster
- Tântalo
- Capacitor variável
- Entre outros
Essencialmente, eles são parecidos, o que muda é o formato e o material utilizado para construí-los (alguns nomes remetem ao material do meio isolante). Vale destacar algumas observações:
- O capacitor eletrolítico e o tântalo possuem polaridade. Então, se ligar a polaridade invertida, eles podem explodir.
- O cerâmico possui baixos valores de capacitância (1μF), ao contrário do eletrolítico. O eletrolítico é ideal para circuitos de alta potência.
- O capacitor variável é parecido com um potenciômetro. Porém, neste caso, ele varia a capacitância e não a resistência.
Simbologia
Considere:
Capacitores do tipo polarizado seriam o eletrolítico e o tântalo. Já os fixos são os que independem da polaridade. Repare que até a simbologia do tipo variável é análoga ao potenciômetro.
Como funciona
Carga
Para simplificar, vamos considerar o caso onde o capacitor é formado por duas placas paralelas. Quando ligamos uma fonte, a carga em ambas as placas é neutra. E acontece o seguinte:
- Os elétrons da placa que está ligada no positivo da fonte são atraídos para a fonte. Dessa forma, a placa fica carregada positivamente.
- Do outro lado, os elétrons da fonte são atraídos até a placa. E ela fica carregada negativamente.
- As duas placas terão um valor de carga igual Q. A placa positiva +Q e a placa negativa -Q.
- Devido a isso, surgirá um campo elétrico entre as placas, que sai da placa positiva e vai para a placa negativa. Como o meio entre as placas é isolante, idealmente, nenhuma carga passa para o outro lado.
Esse processo acontece até a tensão em cima do capacitor ser igual a tensão da fonte. Pois, nesse momento, a fonte não consegue enviar mais nenhuma carga. E ele atua como circuito aberto. As duas imagens abaixo mostram o capacitor no momento inicial e, depois, já carregado:
Inicialmente, as duas placas estão neutras (mesmo número de cargas positivas e negativas). Obs: a corrente que desenhei não é a convencional, mas sim a real.
Por fim, ele está carregado e as placas possuem carga de módulo Q. Neste momento não há mais corrente.
Descarga
O procedimento de descarga de um capacitor é o contrário do que foi descrito. Basicamente, quando o capacitor possui alguma carga, ele é capaz de transferí-la a algum componente. Ou seja, atua como uma fonte de tensão.
Exemplo de um circuito de descarga do capacitor:
E claro, a carga vai sendo consumida aos poucos até que o capacitor fique descarregado e atue como um curto circuito.
As imagens abaixo mostram o comportamento da tensão e corrente no circuito para carga e descarga:
- Tensão pelo tempo na carga
Vf é a tensão da fonte.
- Tensão pelo tempo na descarga
Vf é a tensão da fonte.
- Corrente pelo tempo nos dois casos
No caso da descarga, a corrente fluirá no sentido contrário ao inicial. Então, de acordo com essa referência, ela será negativa. Porém, o gráfico acima está de acordo com o referencial de cada caso.
Possivelmente, futuramente, farei um post explicando em detalhes as contas e os cálculos por trás dos gráficos.
Capacitância
Devido as formulas da lei de Gauss, sabe-se que o campo elétrico (E) é proporcional à carga (Q). Além disso, a tensão entre dois pontos (Vab) também é proporcional ao campo elétrico. Portanto, podemos dizer que a tensão entre as placas do capacitor é proporcional à carga. E associamos uma constante a essa proporcionalidade para termos uma igualdade:
Vab ∝ Q
Q = c*Vab
c é a constante
Essa constante é chamada de capacitância. Ela é a principal propriedade do capacitor. Escrevendo de outra forma, ela é a carga sobre tensão e é dada em Faraday:
A capacitância depende de três principais aspectos de um capacitor: a forma, suas dimensões e o meio isolante. Sendo assim, existem muitos casos diferentes com fórmulas de capacitância diferente. O intuito deste post não é demonstrá-los.
Aplicações
Eles servem para utilidades bem interessantes:
- Acender o flash das câmeras (rápida descarga)
- Filtrar ruídos da rede
- Auxilia na transmissão e recepção de dados em circuitos de rádio frequência (Bluetooth, radio e circuitos sem fio em geral)
- Rápida descarga em desfibriladores e raquetes de matar mosquito
- Filtrar sons e é importante na criação de acessórios para instrumentos musicais
- Entre outras…