Capacitores
Com certeza o flash da câmera já te salvou quando você precisou tirar uma foto no escuro, não é? Mas, alguma vez, você pensou em como essa salvadora invenção funciona? Não, né? Bem, para entendermos o funcionamento do flash, devemos primeiro entender o que são capacitores! Faremos exatamente isso agora!
Os capacitores surgiram da necessidade do armazenamento de energia elétrica para usos futuros dentro de circuitos. Eles são compostos basicamente por placas metálicas muito próximas umas das outras e separadas por um material isolante chamado de dielétrico. Como essas placas estão conectadas no circuito, nelas ocorre um acúmulo de cargas elétricas. As placas não estão em contato entre si, então podemos ter a certeza de que os elétrons não passam de uma placa para outra. Assim, ocorre o acúmulo de elétrons na placa que está em contato com a corrente elétrica.
Entre as placas metálicas acontece uma eletrização por indução – lembra o que é isso? Cargas positivas são acumuladas na placa contrária onde há o acúmulo de elétrons. Agora, como há cargas de sinais opostos em cada uma das placas, um campo elétrico surge dentro do material que existe entre elas; e é justamente através desse campo elétrico que o capacitor armazena energia.
Capacitância
Chamamos de capacitância (C) a relação que existe entre a quantidade de carga armazenada pelo capacitor (Q) e a diferença de potencial (V) a que suas placas estão submetidas. Expressamos essa relação matematicamente da seguinte forma:
Também existe outra maneira de encontrarmos a capacitância de um capacitor. Assim como a resistência nos resistores, a capacitância (C) depende das características geométricas do capacitor – mais especificamente da área das placas metálicas (A) e da espessura (d) do material dielétrico contido entre elas.
Os outros dois termos que aparecem nesta expressão são constantes que dependem do meio em que o capacitor está inserido. Mas isso não será muito importante! O principal que você precisa lembrar é da relação que existe entre a capacitância e as propriedades geométricas do capacitor.
No S.I., a unidade de capacitância é o farad (F). Entretanto, por um farad ser um valor muito grande, na prática sempre utilizaremos prefixos antes dessa medida, como, por exemplo, microfarads (μF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF).
Carga e Descarga de Capacitores
Uma informação muito importante que devemos conhecer é como acontece o acúmulo e a descarga das cargas elétricas nos capacitores. Antes de fecharmos a chave do circuito, é lógico que as cargas armazenadas no capacitor são zero, certo? Exatamente isso! Mas o que acontece depois que a chave do circuito foi fechada? Instantaneamente, começa a surgir um acúmulo de cargas muito rápido. Entretanto, conforme o tempo passa e as cargas se concentram na placa do capacitor, a velocidade de acúmulo delas vai diminuindo até o número de cargas se manter praticamente constante. Esse processo é mostrado pelo seguinte gráfico:
Mas agora você pode estar se perguntando: e com a tensão, o que acontece? Exatamente a mesma coisa que acontece com as cargas! Assim que a chave do circuito é fechada, ocorre um aumento brusco na tensão entre as placas do capacitor e, com o tempo, ela vai se estabilizando. Perceba que os gráficos do aumento de tensão e do aumento de carga são praticamente iguais!
E a descarga de um capacitor, como acontece? Assim que as cargas são liberadas, elas saem do capacitor e vão para o circuito de uma forma muito rápida! Se liga no gráfico abaixo, ele representa exatamente como ocorre esse processo de descarga.
E finalmente podemos entender porque os capacitores são utilizados nos flashes das câmeras. Na hora de gerar o “clarão” para iluminar as fotos, é necessário que todas as cargas sejam liberadas quase de maneira instantânea.
Muito importante! Não há mais fluxo de carga quando o capacitor está totalmente carregado ou descarregado, de forma que não há corrente saindo ou entrando no capacitor; ele funciona como se o circuito estivesse aberto.
Energia Armazenada nos Capacitores
Que os capacitores são dispositivos que armazenam energia nós já sabemos. Mas, afinal, como podemos saber quanta energia está armazenada em um capacitor? Podemos encontrar esse valor através da quantidade de cargas armazenadas e da voltagem à que as placas do capacitor estão submetidas. Lembra da equação da capacitância que vimos anteriormente?
Como a capacitância de um capacitor é constante, podemos utilizar essa equação para encontrar a relação entre a carga e a tensão no capacitor.
Essa equação nos diz que a tensão entre as placas de um capacitor é diretamente proporcional à quantidade de carga que ele armazena. Podemos representar isso de maneira gráfica da seguinte forma:
E aqui entra a grande jogada! A energia armazenada no capacitor será numericamente igual à área que está entre o gráfico e o eixo horizontal, exatamente como representado abaixo:
Calculando a área desse triângulo em laranja, sempre vamos encontrar a seguinte expressão:
Mas não é só isso; também podemos substituir a carga (Q) ou a tensão (V) utilizando aquela equação da capacitância para encontrar dois outros formatos para a expressão da energia em um capacitor:
Associação de Capacitores
Assim como nos resistores, também podemos combinar a posição dos capacitores para obtermos circuitos com características específicas. Por exemplo: iremos aumentar a capacitância do circuito associando capacitores em paralelo; diminuiremos a tensão nos terminais de todos os capacitores do circuito associando capacitores em série, aumentando, assim, a durabilidade deles. Vamos estudar os detalhes dessas duas combinações agora.
Assim como nos resistores, também podemos combinar a posição dos capacitores para obtermos circuitos com características específicas. Por exemplo: iremos aumentar a capacitância do circuito associando capacitores em paralelo; diminuiremos a tensão nos terminais de todos os capacitores do circuito associando capacitores em série, aumentando, assim, a durabilidade deles. Vamos estudar os detalhes dessas duas combinações agora.
Associação em Série
Podemos distinguir que capacitores estão conectados em série quando eles estão colocados lado a lado no circuito, como mostrado abaixo:
Quando os capacitores são ligados desta maneira, a carga da associação é igual para todos. Sabendo disso e conhecendo a capacitância de cada um, podemos utilizar aquela equação que vimos lá no início do capítulo para encontrar a tensão entre as placas de cada capacitor.
O inverso da capacitância que o circuito passará a ter será igual a soma dos inversos das capacitâncias de todos capacitores existentes no circuito. Exatamente o mesmo cálculo para encontrar a resistência equivalente dos circuitos com resistores em paralelo, lembra?
Associação em Paralelo
Quando os capacitores são ligados em paralelo, a ddp da associação é a mesma para todos os capacitores.
Podemos utilizar novamente aquela equação, a diferença agora é que conhecemos a capacitância e a tensão entre as placas de cada capacitor e queremos encontrar qual é o valor da carga em cada um deles.
A capacitância que o circuito passará a ter será igual a soma das capacitâncias de todos capacitores existentes no circuito. Exatamente a mesma coisa que acontecia com a resistência equivalente de um circuito com resistores em paralelo!
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