A capacitância eléctrica é um dos conceitos básicos da electrostática. Este termo refere-se à sua capacidade de armazenar uma carga eléctrica. Pode falar sobre a capacidade de um único condutor, ou pode falar sobre a capacidade de um sistema de dois ou mais condutores. Os processos físicos envolvidos são semelhantes.
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Conceitos básicos relacionados com a capacitância
Se um condutor tiver recebido uma taxa q, surge um potencial φ sobre ela. Este potencial depende da geometria e do ambiente - para condutores e condições diferentes, a mesma carga causará um potencial diferente. Mas φ é sempre proporcional à q:
φ=Cq
O coeficiente C e é chamado de capacitância eléctrica. Se estamos a falar de um sistema de vários condutores (geralmente dois), surge uma diferença potencial ou tensão U quando uma carga é dada a um condutor (o revestimento):
U=Cq, daí C=U/q
A capacitância pode ser definida como o rácio da diferença potencial para a carga resultante. A unidade de medida de capacidade no SI é o Farad (anteriormente dito Farad). 1 F = 1 V/1k. A capacidade de 1 Farad é um sistema, no qual dar uma carga de 1 coulomb resulta numa diferença potencial de 1 volts. 1 Farad é um valor muito grande. Na prática, os valores fracionários - picofarads, nanofarads, microfarads - são mais comummente utilizados.
Na prática, esta combinação resulta numa bateria que pode resistir a uma tensão de ruptura dieléctrica mais elevada do que uma única célula.
Cálculo da capacidade do condensador
Na prática, os elementos mais frequentemente utilizados com uma capacidade nominal são condensadorescompostos por dois condutores planos (terminais), separados por um dieléctrico. A fórmula para calcular a capacitância eléctrica de tal condensador é a seguinte
C=(S/d)*ε*ε0
onde:
- C é a capacitância, F;
- S é a área das inserções, sq.m;
- d é a distância entre as coberturas, m;
- ε0 - constante eléctrica, constante, 8.854*10−12 F/m;
- ε - permissividade dieléctrica, valor sem dimensão.
A partir disto é fácil de compreender que a capacidade é directamente proporcional à área das coberturas e inversamente proporcional à distância entre os condutores. A capacidade é também afectada pelo material com o qual as coberturas são separadas.
Para compreender como as quantidades que determinam a capacidade afectam a capacidade de um condensador para armazenar carga, pode fazer uma experiência mental para criar um condensador com a maior capacidade possível.
- Poderia tentar aumentar a área dos enrolamentos. Isto levaria a um aumento dramático do tamanho e do peso do dispositivo. A fim de reduzir o tamanho das camadas com o dieléctrico a separá-las, as camadas são enroladas para cima (num tubo, briquete plano, etc.).
- Outra forma é reduzir a distância entre as inserções. Nem sempre é possível posicionar os condutores muito de perto, uma vez que a camada dieléctrica deve ser capaz de resistir a uma certa diferença potencial entre os enrolamentos. Quanto menor for a espessura, menor será a resistência eléctrica da fenda isolante. Se seguir esta rota, chegará a um ponto em que o condensador se torna inútil na prática - só pode funcionar a tensões muito baixas.
- Aumentar a permeabilidade eléctrica dieléctrica. Este caminho depende da tecnologia de produção actual. O material isolante não só deve ter um alto valor de permeabilidade, como também deve ter boas propriedades dieléctricas e manter os seus parâmetros na gama de frequência necessária (à medida que a frequência de funcionamento do condensador aumenta, as características dieléctricas diminuem).
Os condensadores esféricos ou cilíndricos podem ser utilizados em algumas aplicações especializadas ou de investigação.
A capacitância de um condensador esférico pode ser calculada de acordo com a fórmula
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
onde R é o raio das esferas e π=3,14.
Para um desenho de condensador cilíndrico, a capacitância é calculada como:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l é a altura dos cilindros, e R1 e R2 são os seus raios.
Em princípio, ambas as fórmulas não diferem da fórmula para um condensador plano. A capacidade é sempre determinada pelas dimensões lineares dos terminais, pela distância entre eles e pelas propriedades do dieléctrico.
Ligação de condensadores em série e em paralelo
Os condensadores podem ser ligados em série em série ou em paralelo, criando um conjunto com novas características.
Ligação paralela
Se os condensadores estiverem ligados em paralelo, a capacidade total da bateria resultante é igual à soma das capacitâncias de todos os seus componentes. Se uma bateria consiste na mesma construção de condensadores, pode ser pensada como somando a área de todas as placas. Neste caso, a voltagem em cada elemento da bateria será a mesma e as cargas serão somadas. Para três condensadores ligados em paralelo:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Ligação em série
Quando ligadas em série, as cargas de cada capacitância serão as mesmas:
q1=q2=q3=q
A tensão total é distribuída na proporção de capacitância dos condensadores:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Se todos os condensadores forem iguais, cai uma tensão igual em cada um deles. A capacitância total encontra-se como:
C=q/( U1+U2+U3), daí 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Aplicações de condensadores em tecnologia
É lógico utilizar condensadores como dispositivos de armazenamento de energia eléctrica. Como tal, não podem competir com fontes electroquímicas (baterias galvânicas, condensadores) devido à sua baixa capacidade de armazenamento de energia e auto-descarga bastante rápida devido a fuga de carga através do dieléctrico. Mas a sua capacidade de armazenar energia durante um longo período e depois libertá-la quase instantaneamente é amplamente utilizada. Esta propriedade é utilizada em lâmpadas de flash para fotografia ou em lâmpadas para excitação de lasers.
Os condensadores são amplamente utilizados em engenharia de rádio e electrónica. Os condensadores são utilizados em circuitos ressonantes como um dos elementos que retêm a frequência dos circuitos (o outro elemento é a indutância). É também utilizada a capacidade dos condensadores para manter a corrente contínua sem atrasar a componente AC. Tal uso é comum para dividir as fases do amplificador para eliminar a influência dos modos DC de uma fase sobre a outra. Os condensadores de alta capacidade são utilizados como filtros suavizantes em fontes de alimentação. Há também um grande número de outras aplicações de condensadores onde as suas propriedades se revelam úteis.
Alguns desenhos práticos de condensadores
Na prática, são utilizados vários desenhos de condensadores planos. A concepção do dispositivo determina as suas características e área de aplicação.
Condensador variável
Um tipo comum de condensador variável (VAC) consiste num banco de placas móveis e fixas, separadas por ar ou por um isolante sólido. As placas móveis rodam em torno de um eixo, aumentando ou diminuindo a área sobreposta. Quando a unidade móvel é retirada, o intervalo entre as placas permanece inalterado, mas a distância média entre as placas também aumenta. A constante dieléctrica do isolador também se mantém inalterada. A capacidade é ajustada através da alteração da área das coberturas e da distância média entre elas.
Condensador de óxido
No passado, este tipo de condensador era chamado de condensador electrolítico. Consiste em duas tiras de folha de alumínio separadas por um dieléctrico de papel embebido em electrólito. A primeira tira serve como uma bainha e a segunda tira serve como o electrólito. O dieléctrico é uma fina camada de óxido numa das tiras metálicas, e a segunda tira serve de colector de corrente.
O facto de a camada de óxido ser muito fina e o electrólito estar perto dela, é possível obter uma capacidade suficientemente elevada com um tamanho moderado. O preço a pagar por isto é a baixa tensão de funcionamento - a camada de óxido não tem uma alta resistência dieléctrica. Se a tensão de funcionamento aumentar, o tamanho do condensador tem de aumentar consideravelmente.
Outro problema é que o óxido tem uma condutividade unidireccional, pelo que tais condensadores só são utilizados em circuitos DC no que diz respeito à polaridade.
Ionistor
Tal como demonstrado acima, os métodos tradicionais de aumento condensadores têm limitações naturais. Por conseguinte, o verdadeiro avanço foi o desenvolvimento do ionistor.
Embora este dispositivo seja considerado como um intermediário entre um condensador e uma bateria, continua a ser essencialmente um condensador.
A distância entre os eléctrodos é drasticamente reduzida pela utilização de uma dupla camada eléctrica. As camadas são camadas de iões que têm uma carga oposta. Um material de espuma altamente poroso torna possível aumentar drasticamente a área de superfície das camadas. O resultado são supercapacitores com capacidades até centenas de faradáceos. A doença congénita destes dispositivos é a baixa tensão de funcionamento (geralmente dentro de 10 volts).
O desenvolvimento da tecnologia continuou - as lâmpadas foram substituídas por transístores bipolares em muitas aplicações, e estes, por sua vez, foram substituídos por triódios unipolares. As indutâncias estão a ser eliminadas da concepção dos circuitos sempre que possível. E os condensadores não desistem das suas posições para o segundo século, a sua concepção não mudou fundamentalmente desde a invenção do frasco de Leiden, e não há perspectivas de terminar a sua carreira.
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