C = Q / V
Embora a capacitância possa ser expressa em Coulomb por volt, na prática é usada o Farads (F). Sendo um Farad igual à capacitância elétrica de um condutor que com carga de 1 Coulomb é carregado até à tensão de 1 Volt.
A capacitância eletrica de um condutor independe da carga do condutor; do potencial eletrico sobre o condutor; da forma geométrica do condutor, suas dimensões e da natureza do isolante que envolve o condutor.
Capacitor é o conjunto de dois condutores separados por um dielétrico ( isolante ) e uma pequena distância relativamente às suas dimensões. O princípio de funcionamento do capacitor é o fato de que ocorre uma diminuição no potencial de um condutor quando dele é aproximado outro condutor neutro ou com carga de sinal oposto. Como a carga do condutor não se modificou, a diminuição do potencial se deve a um aumento da capacitância.
A capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas de área útil A, separadas pela distancia d, e que tem como dielétrico uma substância de permeabilidade elétrica £ é dada por:
A capacitância de um capacitor plano é diretamente proporcional à área das placas e inversamente proporcional a espessura do dielétrico (distância entre as placas). A capacitância de um capacitor também pode ser definida como a quantidade de cargas elétricas que é necessário transportar de uma placa para outra para criar uma diferença de potencial de um volt entre as placas.
Carga Elétrica em um Capacitor
Quando aplicamos sobre o capacitor uma tensão elétrica, ambas as placas apresentam uma mesma quantidade de cargas elétricas positivas e negativas. Ao aplicar uma tensão contínua, uma das placas do capacitor estará ligada ao pólo positivo e a outra ao negativo. Como diferença de potencial é sinônimo de quantidade de cargas desiguais de elétrons, no instante da ligação os elétrons devem ir ao sentido da placa negativa, e uma mesma quantidade de elétrons deve sair da placa positiva. Como existe uma camada isolante entre as placas condutoras não é possível a formação de um circuito fechado, isto é, os elétrons não podem atravessar o capacitor. Portanto os elétrons que chegam a uma das placas não são os mesmos que saem da outra. Uma corrente na qual acontece apenas um deslocamento de elétrons, denomina-se corrente de carga ou corrente de deslocamento. A corrente de carga flui apenas brevemente, isto é, apenas enquanto os elétrons forem deslocados. Quando a carga estiver terminada, o capacitor tem a mesma tensão nos terminais que a rede. Entre as placas existe um estado que é denominado como campo elétrico. A carga elétrica Q é diretamente proporcional à corrente de carga I e ao tempo de carga t ( Q = I . t ).
Processo de Carga de um Capacitor
Se ligarmos um capacitor aos terminais de uma fonte de corrente contínua, cada placa metálica contém bilhões de elétrons que se movem livremente por toda a placa. Colocando-se em funcionamento a fonte de corrente contínua com a polaridade indicada, os elétrons serão transportados do pólo negativo da fonte até a placa negativa do capacitor. Da mesma forma, elétrons sairão da placa positiva do capacitor em direção ao pólo positivo da fonte, até que a diferença de potencial entre as placas seja igual à diferença de potencial da fonte sem carga. A quantidade de eletricidade transportada será proporcional a esta diferença de potencial. Assim, a tensão e a carga do capacitor em função do tempo têm característica exponencial. Suponhamos um circuito constituído de uma bateria de d.d.p. E, um capacitor de C Farads, duas chaves ch1 e ch2 e de uma resistência R ohms, conforme a figura abaixo.
No instante em que a chave ch1 é ligada, a d.d.p. nos extremos do capacitor é zero, passando a crescer rapidamente até o valor E. Enquanto a d.d.p. nos extremos do capacitor aumenta, sua carga Q cresce proporcionalmente, o que significa que, enquanto a d.d.p. estiver variando no sentido de aumentar, a bateria estará fornecendo corrente. Esta, entretanto, não circula através do dielétrico: o fluxo de elétrons se produz no circuito externo ao capacitor, ficando a placa ligada ao pólo (+) da fonte com deficiência de elétrons, e a placa ligada ao pólo (-) com excesso. O fluxo de elétrons continuará até que as duas placas tenham adquirido uma carga suficiente para que a d.d.p. entre elas seja exatamente igual e oposta à d.d.p. aplicada E. Quando isto ocorrer, a corrente no circuito se torna igual a zero, sendo, pois, de natureza transiente: é máxima no instante em que se liga a chave ch1 (capacitor descarregado = curto-circuito), diminuindo e tendendo para zero quando o capacitor estiver carregado (capacitor carregado = circuito aberto).
O valor da corrente depende, a cada instante, da d.d.p. aplicada, da resistência do circuito e da capacitância. Assim, o capacitor totalmente carregado comporta-se como um circuito aberto em corrente contínua.
Processo de Descarga de um Capacitor
Se depois de carregado o capacitor abrirmos a chave ch1, a d.d.p. nos extremos das placas do capacitor permanece igual à d.d.p. da bateria, mas com o decorrer do tempo vai diminuindo até anular-se, pois mesmo com os terminais abertos o capacitor irá descarregar. Isto se deve ao fato de que os materiais que constituem o dielétrico não são isolantes perfeitos, e uma corrente de fraca intensidade chamada corrente de fuga circula através do dielétrico: quando o número de elétrons for igual ao número de cargas positivas em cada placa, a d.d.p. será nula, e o capacitor estará descarregado. Agora, se após abrirmos a chave ch1, fecharmos a chave ch2, a descarga acontecerá no resistor R, dissipando a energia armazenada no capacitor sob forma de calor no resistor.
A curva de descarga dependerá da capacitância C, da tensão E e da resistência R, e terá característica exponencial, pois no início da descarga a tensão E no capacitor é máxima, bem como a circulação de cargas. Com o passar do tempo o capacitor vai se descarregando, diminuindo a tensão em seus terminais e consequentemente a circulação de cargas, quem tendem a zero (capacitor descarregado). A tensão no resistor a e corrente de descarga tem sentido contrário ao da tensão e corrente de carga, devido à carga do capacitor ter polaridade inversa à da fonte.
A constante dielétrica K de uma substância é a razão entre a capacitância de um capacitor Ck cujo dielétrico é constituído pela substância considerada, e a capacitância de um capacitor Co cujo dielétrico é o ar ( K = Ck / Co ).
A tensão máxima que se pode aplicar ao dielétrico é dita como tensão de prova, de ensaio ou disruptiva. A rigidez dielétrica expressa a máxima tensão que uma placa isolante de 1 mm de espessura pode suportar, sem provocar a descarga destrutiva. A tabela a seguir dá os valores de K e da rigidez dielétrica para as substâncias usuais.
SUBSTÂNCIA
|
CONSTANTE DIELÉTRICA (K)
|
RIGIDEZ DIELÉTRICA (kV/mm)
|
| Ar |
1,0006
|
3
|
| Água |
80
|
15
|
| Asfalto |
2,7
|
4 - 15
|
| Baquelite |
4,8 - 5,7
|
23
|
| Borracha |
2,5
|
16 - 50
|
| Ebonite |
2 - 3,5
|
24 - 110
|
| Fibra |
2,5 - 5
|
2
|
| Madeira |
2,5 - 6,8
|
1 - 3
|
| Mármore |
8,5
|
2,5
|
| Mica |
4 - 8
|
20 - 60
|
| Óleo de parafina |
2 - 2,5
|
13
|
| Papel |
1,8 - 2,6
|
10 - 25
|
| Parafina |
1,7 - 2,3
|
30
|
| Petróleo |
2 - 2,2
|
10
|
| Porcelana |
5 - 6,7
|
15
|
| Vidro |
5 - 12
|
15 - 20
|
Associação de Capacitores
Numa associação Série de capacitores, o inverso da capacitância equivalente é igual à soma dos inversos das capacitâncias dos capacitores associados. Já em uma associação paralelo de capacitores, a capacitância total desta associação é igual à soma das capacitâncias dos capacitores associados.
A constante de tempo capacitiva representa o tempo necessário para que a tensão no capacitor atinja 63,21% da tensão da fonte aplicada sobre ele. Isto se deve ao fato do capacitor se carregar exponencialmente seguindo a seguinte equação:
Onde: Vc = tensão no capacitor;
Vf = tensão da fonte;
t = tempo de carga.
Dizemos que a constante de tempo de um capacitor é igual a R.C assim sendo, quando t = R.C teremos Vc = 0,6321 Vf.
Os capacitores dividem-se em dois tipos principias: fixos e ajustáveis. Nos fixos, o valor da capacitância é constante para cada capacitor, e nos ajustáveis a capacitância é ajustável.
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