M021 - O Capacitor

O Capacitor

Neste Módulo e nos próximos nós vamos estudar o Capacitor. Assim como os resistores, os capacitores estão presentes em praticamente todos os circuitos eletrônicos. Na figura 1 apresentamos as formas mais comuns para os capacitores.

Fig 1

Os capacitores podem ser polarizados ou não. Quando eles são polarizados, a polaridade da tensão aplicada a eles é importante. Se a polaridade aplicada for inversa à correta, o capacitor pode ser destruído, podendo até explodir.

Cuidados ao manusear capacitores

A seguir algumas dicas de segurança para não se acidentar ao manusear capacitores.

Os capacitores armazenam energia quando conectados a uma fonte de tensão. Capacitores eletrolíticos acima de alguns uF (microfarads) já podem armazenar energia suficiente para danificar equipamentos ou provocar choque elétrico perigoso.

Capacitores de circuitos de televisão (as de tubo) ou fontes chaveadas podem se carregar com tensões muito elevadas, da ordem de centenas ou mesmo milhares de volts. Assim é extremamente importante descarregá-los antes de manuseá-los. Para não danificar o capacitor, o ideal é descarregá-lo através de um resistor de baixo valor. Uma sugestão é 100R 2W. Se o capacitor for de baixa voltagem (menos de 35V) e baixa capacitância (menos de 1000uF), poderá ser descarregado colocando os terminais em curto.

Capacitores acima de 35V só devem ser descarregados utilizando o resistor sugerido e tomando o cuidado de não tocar nos terminais do capacitor para não levar choque. Utilize ferramentas adequadas para isto. Lembre-se que um bom capacitor eletrolítico pode permanecer carregado por vários dias.

Ao projetar um circuito e durante a montagem da placa, atenção especial deve ser tomada para verificar se a tensão de trabalho não está maior do que a suportada pelo capacitor e se a polaridade é a correta. Capacitores eletrolíticos, quando submetidos a tensão superior à especificada ou polaridade invertida, provocam grande formação de gases internos, aumentando a pressão e muitas vezes explodindo perigosamente. Nós recomendamos sempre utilizar óculos de segurança quando se está manuseando circuitos eletrônicos ligados. Se o circuito possui capacitores eletrolílitos, esta recomendação passa a ser ainda mais importante.

Teoria de Funcionamento

No Módulo anterior nós estudamos o que é o Campo Elétrico. O Capacitor é basicamente um componente que armazena carga elétrica quando conectado à uma fonte de tensão (ou de corrente). O capacitor é constituído por duas placas paralelas, muito próximas uma da outra e separadas por um dielétrico. As duas principais características do Capacitor são sua capacitância e sua tensão de trabalho. Ao acumular carga elétrica, o Capacitor armazena energia no Campo Elétrico que se forma em seu interior.

Fig 2

Observe a figura 2. Nela nós representamos um capacitor composto pela placa A, placa B e um dielétrico (que pode ser o ar, por exemplo). Este capacitor não está conectado à fonte V porque a chave ch está aberta. Assim vamos supor inicialmente que a tensão da placa A está exatamente igual à tensão da placa B. Ou seja, a ddp de A para B é 0V. Se não tem diferença de potencial, o campo E, entre as placas é nulo, já que:

E = V_AB / d = 0/d = 0;

Agora, vamos fechar a chave ch. Quando fazemos isto, aplicamos o potencial do polo positivo da fonte à placa A. Assim vai aparecer uma ddp V_AB entre as placas A e B, igual à tensão V da fonte. Então o Campo Elétrico E deixa de ser nulo e passa a ser:

E = V_AB / d = V/d;

Quando este Campo Elétrico aparece, ele passa a aplicar uma força elétrica sobre os elétrons mais próximos à superfície interna das placas A e B, afastando os elétrons na superfície da placa A e aproximando os elétrons na superfície da placa B. O que acontece na prática é um desequilíbrio de cargas na placa A e na placa B. Vai aparecer uma carga total positiva Q na placa A e uma carga total -Q na placa B (as cargas tem o mesmo valor mas sinais opostos).

O Físico Inglês Faraday estudou a relação entre a carga acumulada em um capacitor e a tensão aplicada a ele e percebeu que esta relação é linear dada por:

C = Q / V;

A fórmula acima diz que se você dividir a carga Q total acumulada no capacitor pela tensão em seus extremos V, o valor é constante e igual a C. C é chamado de capacitância do capacitor e mede a sua capacidade de armazenar carga elétrica.

Em homenagem a Faraday, a unidade de C é o Farad. Esta unidade é muito grande e por isso normalmente se utiliza:

μF - microfarad = 1F / 1.000.000
nF - nanofarad = 1F / 1.000.000.000
pF - picofarad = 1F / 1.000.000.000.000

Mas Faraday concluiu mais coisas em seus experimentos. Como o Campo Elétrico E é relativamente constante e homogêneo entre as placas e como ele atua sobre os elétrons mais próximos à superfície das placas A e B, quanto maior a área das placas, maior quantidade de elétrons será deslocado e portanto maior carga será acumulada no capacitor. Por outro lado, se você diminuir a distância d, o Campo Elétrico E vai ficar mais intenso, se mantivermos V. Se, por exemplo, diminuirmos d para a metade, a intensidade do Campo Elétrico E vai dobrar.

Estas conclusões podem ser resumidas na seguintes fórmulas:

E = V/d

Mas pelos experimentos de Faraday:

E = 4 . π . K . Q / A

Onde:

E: Campo Elétrico entre as placas (em Volts/m)
π : 3,14159
K: constante que depende do dielétrico
Q: carga total acumulada em uma das placas (em Coulombs)
A: área de uma das placas em m²

Assim, igualando as duas fórmulas acima:

C = A / (4 . π . K . d)

Pela fórmula acima, a capacitancia C de um capacitor é diretamente proporcional à área das placas e inversamente proporcional à distância entre as placas. Por isso, capacitores de capacitância elevada são volumosos (precisam de mais área) e capacitores de tensão mais alta, também são mais volumosos, porque precisam de um dielétrico mais espesso para uma maior rigidez dielétrica, em função do campo E mais intenso.

A fórmula acima pode ser reescrita da seguite forma:

C = e_r . e_o . A / d

Onde:

e_r: constante dielétrica do dielétrico
e_o: permissividade dielétrica do vácuo
A: área de uma das placas em m²
d: distância entre as placas em metros

Pela fórmula acima, se acharmos materiais dielétricos com alto e_o, podemos aumentar a capacitância, mantendo a distância d e a área A das placas. Na prática é o que se faz com os capacitores eletrolíticos. Neles, o dielétrico é um eletrólito onde as moléculas são polarizadas eletricamente. Assim, quando elas são submetidas ao Campo Elétrico E, elas se orientam no sentido do campo e o próprio campo elétrico das moléculas se somam a E, reforçando o Campo Elétrico total entre as placas e portanto deslocando mais elétrons, acumulando mais carga e aumentando a capacitância.