O Que é Capacitância: Conceitos Básicos
A capacitância é um dos conceitos básicos por trás da eletrônica e é amplamente utilizada, como visto pelo número de capacitores que são usados em circuitos eletrônicos
O tutorial de capacitância inclui:
Capacitância | Fórmulas de capacitores | Reatância capacitiva | Capacitores Paralelos e Série | Constante dielétrica e permissividade relativa | Fator de dissipação, tangente de perda, ESR | Tabela de conversão de capacitores
Resistência, capacitância e indutância são três parâmetros básicos associados a circuitos elétricos e eletrônicos.
Ao contrário dos outros dois, a capacitância está associada ao armazenamento de carga elétrica e os atributos são usados em componentes eletrônicos chamados capacitores e, por sua vez, são usados em muitos circuitos elétricos e praticamente em todos os projetos de circuitos eletrônicos.
Os efeitos da capacitância podem ser usados de várias maneiras em circuitos, desde motores elétricos até projetos de circuitos eletrônicos, como fontes de alimentação, circuitos de áudio, circuitos de RF, circuitos lógicos e digitais e muitos mais.
Em vista disso, a capacitância é um parâmetro particularmente importante que é usado em muitas áreas.
O Que é Capacitância
Ao olhar para a capacitância, primeiro é necessário ver exatamente o que é. Capacitância é efetivamente a capacidade de armazenar carga. Em sua forma mais simples, um capacitor consiste em duas placas paralelas. Verifica-se que quando uma bateria ou qualquer outra fonte de tensão é conectada às duas placas, conforme mostrado, uma corrente flui por um curto período de tempo e uma placa recebe um excesso de elétrons, enquanto a outra tem poucos.
Desta forma, uma placa, aquela com excesso de elétrons, fica com carga negativa, enquanto a outra fica com carga positiva.
Se a bateria for removida, o capacitor manterá sua carga. No entanto, se um resistor for colocado entre as placas, uma corrente fluirá até que o capacitor seja descarregado.
Assim, é possível definir o que é capacitância:
Definição de capacitância:
A capacitância é a capacidade de um componente ou circuito de coletar e armazenar energia na forma de uma carga elétrica.
É a quantidade de carga elétrica armazenada em um condutor para uma diferença declarada no potencial elétrico.
Quanto maiores as placas, mais carga pode ser armazenada e, quanto mais próximas estiverem, mais carga armazenarão. O armazenamento de carga também depende do material entre as duas placas.
Unidades ou Capacitância
É necessário saber definir o “tamanho” de um capacitor. A capacitância de um capacitor é uma medida de sua capacidade de armazenar carga, e a unidade básica de capacitância é o Farad, em homenagem a Michael Faraday.
Vale a pena definir o Farad que é a unidade básica de capacitância.
Capacitância: Definição de Farad:
Um capacitor tem uma capacitância de um Farad quando uma diferença de potencial de um volt irá carregá-lo com um Coulomb de eletricidade (ou seja, um Amp por um segundo).
Um capacitor com capacitância de um Farad é muito grande para a maioria das aplicações eletrônicas, e normalmente são usados componentes com valores muito menores de capacitância. Três prefixos (multiplicadores) são usados, µ (micro), n (nano) e p (pico):
| PREFIXOS E MULTIPLICADORES DE UNIDADES DE CAPACITÂNCIA | ||
|---|---|---|
| PREFIXO | MULTIPLICADOR | TERMINOLOGIA |
| µ | 10 -6 (milionésimo) | 1000000µF = 1F |
| n | 10 -9 (milionésimo) | 1000nF = 1µF |
| p | 10 -12 (milhão-milionésimo) | 1000pF = 1nF |
Campos Elétricos e Dielétricos
Como existe um potencial entre as placas de um capacitor, existe um campo elétrico associado. Com placas paralelas, as linhas de campo elétrico são geralmente paralelas entre si e em ângulos retos com as placas.
Os capacitores requerem alguma forma de isolante entre as duas placas, caso contrário, a carga não poderia permanecer nas placas, ela se dissiparia através do meio entre as duas placas.
Embora o ar seja um bom isolante, muitas vezes as placas do capacitor precisam ser mantidas separadas por alguma forma de isolador rígido.
O material entre as duas placas é chamado de dielétrico. Isso não apenas atua como um isolante, mas também determina muitas das outras propriedades. Uma medida conhecida como constante dielétrica afeta o nível de capacitância alcançável para um determinado tamanho e espaçamento da placa do capacitor.
Altos níveis de permissividade relativa/constante dielétrica podem aumentar a capacitância muitas vezes.
O tópico de permissividade relativa e constante dielétrica, etc., é um tópico por si só e, embora fácil de compreender, possivelmente precisa ser analisado separadamente.
Carregamento e descarga de capacitores
Também é possível observar a tensão no capacitor e também a carga. Afinal, é mais fácil medir a tensão nele usando um medidor simples. Quando o capacitor é descarregado, não há tensão através dele. Da mesma forma, quando está totalmente carregado, nenhuma corrente está fluindo da fonte de tensão e, portanto, tem a mesma tensão que a fonte.
Em um circuito ideal sem resistência parasita ou indutância, quando uma tensão é aplicada a um capacitor, ele carrega instantaneamente e a tensão através dele é a mesma da fonte do potencial elétrico.
Na realidade, sempre haverá alguma resistência no circuito e, portanto, o capacitor será conectado à fonte de tensão por meio de um resistor. Isso significa que levará um tempo finito para o capacitor carregar e o aumento da tensão não ocorrerá instantaneamente.
Verificou-se que a taxa na qual a tensão aumenta é muito mais rápida no início do que depois de carregar por algum tempo. Eventualmente, ele atinge um ponto em que está praticamente totalmente carregado e quase sem fluxos de corrente.
Em teoria, o capacitor nunca fica totalmente carregado, pois a curva é assintótica. No entanto, na realidade, atinge um ponto em que pode ser considerado totalmente carregado ou descarregado e sem fluxos de corrente.
Da mesma forma, o capacitor sempre descarregará através de uma resistência. À medida que a carga no capacitor cai, a tensão nas placas é reduzida. Isso significa que a corrente será reduzida e, por sua vez, a taxa na qual a carga é reduzida cai.
Isso significa que a tensão no capacitor cai de forma exponencial, aproximando-se gradualmente de zero.
A taxa na qual a tensão aumenta ou diminui depende da resistência no circuito. Quanto maior a resistência, menor a quantidade de carga que é transferida e mais tempo leva para o capacitor carregar ou descarregar.
Aplicação de Forma de Onda Alternada a um Capacitor
Até agora, foi considerado o caso em que uma bateria foi conectada para carregar o capacitor e desconectada e um resistor aplicado para carregá-lo. Se uma forma de onda alternada, que por sua natureza muda continuamente, for aplicada ao capacitor, ele estará em um estado contínuo de carga e descarga.
Para que isso aconteça, uma corrente deve estar fluindo no circuito. Desta forma, um capacitor permitirá que uma corrente alternada flua, mas bloqueará uma corrente contínua. Como tais capacitores são usados para acoplar um sinal AC entre dois circuitos que estão em diferentes potenciais de estado estacionário.
Observação: a corrente está 90° adiantada em relação à forma de onda de tensão.
Verificou-se que quando a onda senoidal é aplicada pela primeira vez, a taxa de variação da tensão é máxima e isso significa que a carga está aumentando em sua taxa mais rápida e, portanto, a corrente que flui para o capacitor estará em seu máximo o melhor. Em outras palavras, a corrente está no seu máximo.
À medida que a tensão no capacitor aumenta, a taxa de variação da tensão diminui e, como resultado, o aumento da carga e, portanto, a queda da corrente. Eventualmente, o pico da tensão senoidal é atingido onde não há mudança na tensão e, portanto, a corrente neste ponto é zero.
Após o pico de tensão, a tensão começa a diminuir e, consequentemente, o nível de carga cai e isso significa que a corrente flui para fora do capacitor a partir deste ponto.
O restante da forma de onda segue de maneira semelhante. Como resultado, pode-se ver que a tensão e a corrente não estão em fase uma com a outra. A corrente está atrasada em relação à tensão em um quarto de ciclo, ou seja, 90°.
É possível expressar a relação entre corrente e tensão para um capacitor perfeito como:
Capacitores Reais
Capacitores são os componentes eletrônicos que fornecem a capacitância necessária em circuitos elétricos e eletrônicos.
Os capacitores vêm em uma ampla variedade de formas, cada uma com suas próprias propriedades. Os capacitores físicos podem ser montados em superfície ou as variedades tradicionais com chumbo, bem como ter diferentes fatores de forma e propriedades de desempenho elétrico.
Selecionar o capacitor certo não é apenas uma questão de escolher o nível certo de capacitância, mas também muitos outros aspectos, incluindo o dielétrico, tamanho, níveis de resistência em série equivalente e muitos outros itens.
Tendo em vista todos esses requisitos, existe uma seleção muito ampla desses componentes eletrônicos disponíveis para uso em projetos de circuitos elétricos e eletrônicos, etc.
A capacitância é um dos principais parâmetros associados à ciência elétrica e eletrônica. Equações e cálculos de capacitância são usados todos os dias no projeto de circuitos eletrônicos e em muitas outras áreas, e a capacitância não é uma medida associada apenas a capacitores, pode haver níveis de capacitância em muitos outros componentes eletrônicos, incluindo resistores, indutores, fios, placas de circuito impresso e muitos outros itens.
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