CAPACITORES

Um capacitor é um dispositivo usado para armazenar carga elétrica. Os capacitores têm aplicações que vão desde a filtragem estática da recepção de rádio até o armazenamento de energia em desfibriladores cardíacos. Normalmente, os capacitores comerciais têm duas partes condutoras próximas umas das outras, mas sem tocar, como as que estão na figura 1. (Na maioria das vezes, um isolante é usado entre as duas placas para fornecer separação - veja a discussão sobre dielétricos abaixo.) Quando os terminais da bateria são conectados a um capacitor inicialmente não carregado, quantidades iguais de carga positiva e negativa, + Q e –Q, são separados em suas duas placas. O capacitor permanece neutro no geral, mas nos referimos a ele como armazenando uma carga ** Q ** nessa circunstância.

Capacitor:
 

Um capacitor é um dispositivo usado para armazenar carga elétrica.

Figura 1:

Ambos os capacitores mostrados aqui foram inicialmente descarregados antes de serem conectados a uma bateria. Eles agora têm cargas separadas de +  Q 12  e – 12 Q  em suas duas metades. (a) Um capacitor de placa paralela. (b) Um capacitor laminado com um material isolante entre suas duas folhas condutoras.

** A quantidade de carga Q que um capacitor pode armazenar depende de dois fatores principais: a tensão aplicada e as características físicas do capacitor, como seu tamanho.

Um sistema composto por duas placas condutoras paralelas idênticas, separadas por uma distância d, como na figura 2, é chamado de capacitor de placa paralela. É fácil ver a relação entre a tensão e a carga armazenada para um capacitor de placa paralela, como mostrado em na figura. Cada linha de campo elétrico inicia em uma carga positiva individual e termina em uma carga negativa, de modo que haverá mais linhas de campo se houver mais carga. (Desenhar uma única linha de campo por carga é apenas uma conveniência. Podemos desenhar muitas linhas de campo para cada carga, mas o número total é proporcional ao número de cargas.) A intensidade do campo elétrico é, portanto, diretamente proporcional a Q.

Figura 2:

Linhas de campo elétrico neste capacitor de placa paralela, como sempre, começam em cargas positivas e terminam em cargas negativas. Como a intensidade do campo elétrico é proporcional à densidade das linhas de campo, também é proporcional à quantidade de carga no capacitor.

O campo é proporcional à carga:   E ∝ Q

onde o símbolo ∝ significa “proporcional a”. Da discussão em Potencial Elétrico em um Campo Elétrico Uniforme, sabemos que a voltagem através de placas paralelas é  

V = E.d. 

 Portanto, 

V∝E.

Segue-se, então, que 

V ∝Q

 

Q∝V.

Isso é verdade, em geral: quanto maior a tensão aplicada a qualquer capacitor, maior a carga armazenada nele.
Diferentes capacitores armazenam diferentes quantidades de carga para a mesma tensão aplicada, dependendo de suas características físicas. Nós definimos sua capacitância C ser tal que a carga Q armazenada em um capacitor é proporcional a C. A carga armazenada em um capacitor é dada por
 

Q = CV.

Essa equação expressa os dois principais fatores que afetam a quantidade de carga armazenada. Esses fatores são as características físicas do capacitor, C e a voltagem * V

* Reorganizando a equação, vemos que * capacitância C

é a quantidade de carga armazenada por volt, * ou

C = Q/V

Capacitância C: 

É a quantidade de carga armazenada por volt, ou
 

C = Q / V

A unidade de capacitância é o Farad (F), nomeado por Michael Faraday (1791-1867), um cientista inglês que contribuiu para os campos de eletromagnetismo e eletroquímica. Como a capacitância é a carga por voltagem unitária, vemos que um Farad é um coulomb por volt, ou
 

1 F = 1 C/1 V.

Um capacitor de 1 farad seria capaz de armazenar 1 coulomb (uma quantidade muito grande de carga) com a aplicação de apenas 1 volt. Um Farad é, portanto, uma capacitância muito grande. Capacitores típicos variam de frações de um picofarad (1 pF = 10⁻¹²F) para millifarads (1 mF = 10⁻³F).
A figura 3 mostra alguns capacitores comuns. Os capacitores são feitos principalmente de cerâmica, vidro ou plástico, dependendo da finalidade e do tamanho. Materiais isolantes, chamados dielétricos, são comumente usados em sua construção.

Figura 3:

Alguns capacitores típicos. O tamanho e o valor da capacitância não estão necessariamente relacionados.

 

O capacitor de placa paralela mostrado na figura 4 tem duas placas condutoras idênticas, cada uma com uma área de superfície A, separadas por uma distância d (sem material entre as placas). Quando uma tensão V é aplicada ao capacitor, ele armazena uma carga ** Q **, como mostrado. Podemos ver como sua capacitância depende de A e d, considerando as características da Força de Coulomb. Sabemos que cargas iguais são repelidas, ao contrário das cargas diferentes, e a força entre cargas diminui com a distância. Assim, parece bastante razoável que, quanto maiores forem as placas, mais carga elas poderão armazenar - porque as cargas podem se espalhar mais. Assim, C deve ser maior para A maior. Da mesma forma, quanto mais próximas as placas estiverem juntas, maior será a atração das cargas opostas sobre elas. Então C deve ser maior para d menor.

Figura 4:

Capacitor de placa paralela com placas separadas por uma distância d. Cada placa tem uma área A.

 

Pode ser mostrado que para um capacitor de placa paralela existem apenas dois fatores (A e d) que afetam sua capacitância C. A capacitância de um capacitor de placa paralela na forma de equação é dada por 

 

A é a área de uma placa em metros quadrados e d é a distância entre as placas em metros. A constante ε é a permissividade do espaço livre; seu valor numérico em unidades SI é ε = 8,85 × 10⁻¹² F / m no vácuo.
 
As unidades de F / m são equivalentes a C² / N⋅m². O pequeno valor numérico de ε está relacionado ao tamanho grande do Farad (capacitância). Um capacitor de placa paralela deve ter uma área grande para ter uma capacitância que se aproxima de um Farad. (Observe que a equação acima é válida quando as placas paralelas estão separadas por ar ou espaço livre. Quando outro material é colocado entre as placas, a equação é modificada).