Capacitor

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thumb|right|230px|Vários tipos de capacitores

Um Capacitor ou Condensador é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.

Conteúdo

1 Física do capacitor

1.1 Visão geral
1.2 Capacitância
1.3 Energia
1.4 Circuitos elétricos
1.5 Associação de capacitores

2 Practical capacitors

2.1 Capacitores Comuns
2.2 Capacitores variáveis
2.3 Electric Double Layer Capacitors (EDLCs)

3 Aplicações

4 História

4.1 Displacement current

5 Veja também:

Física do capacitor

Visão geral

Os formatos típicos consistem em dois eletrodos ou placas que armazenam cargas opostas. Estas duas placas são condutoras e são separadas por um isolador ou por um dielétrico. A carga é armazenada na superfície das placas, no limite com o dielétrico. Devido ao fato de cada placa armazenar cargas iguais, porém opostas, a carga total no dispositivo é sempre zero.

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Capacitor.png
Esquema de um capacitor simples de placas paralelas

Quando uma diferença de potencial V = Ed é aplicada às placas deste capacitor simples, surge um campo elétrico entre elas. Este campo elétrico é produzido pela acumulação de uma carga nas placas.

Capacitância

A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou voltagem (V) que existe entre as placas:

$C = \frac{Q}{V}$

Pelo Sistema Internacional (SI), um capacitor tem capacitância de um Farad (F) quando um Coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um Volt (V) entre as placas. O Farad é uma unidade de medida muito grande para circuitos práticos, por isso, são utilizados valores de capacitâncias expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF).

A equação acima é exata somente para valores de Q muito maiores que a carga do elétron (e = 1.602·10^-19C). Por exemplo, se uma capacitância de 1 pF fosse carregada a uma tensão de 1 µV, a equação perderia uma carga Q = 10^-19C, mas isto seria impossível já que seria menor do que a carga em um único elétron. Entretanto, as experiências e as teorias recentes sugerem a existência de cargas fracionárias.

A capacitância de uma capacitor de placas paralelas constituído de dois eletrodos planos idênticos de área A separados à distância constante d é aproximadamente igual a:

$C = \epsilon_0 \epsilon_r \frac{A}{d}$

onde C é a capacitância em farads, ε₀ é a permissividade eletrostática do vácuo ou espaço livre, e ε_r é a constante dielétrica ou permissividade relativa do isolante utilizado.

Energia

A energia (no SI, medida em Joules) armazenada em um capacitor é igual ao trabalho feito para carregá-lo. Considere um capacitor com capacitância C, com uma carga +q em uma placa e -q na outra. Movendo um pequeno elemento de carga dq de uma placa para a outra contra a diferença de potencial V = q/C necessita de um trabalho dW:

$dW = \frac{q}{C}dq$

Nós podemos descobrir a energia armazenada em um capacitor integrando essa equação. Começando com um capacitor descarregado (q=0) e movendo carga de uma placa para a outra até que as placas tenham carga +Q e -Q, necessita de um trabalho W:

$W_{carregando} = \int_{0}^{Q} \frac{q}{C} dq = \frac{1}{2}\frac{Q^2}{C} = \frac{1}{2}CV^2 = E_{armazenada}$

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Dielectric.png
A capacitor with a dielectric

Os elétrons das moléculas mudam em direção à placa da esquerda positivamente carregada. As moléculas então criam um campo elétrico do lado esquerdo que anula parcialmente o campo criado pelas placas. (O espaço do ar é mostrado para maior clareza; em um capacitor real, o dielétrico fica em contato direto com as placas.)

Circuitos elétricos

Os elétrons não podem passar diretamente através do dielétrico de uma placa do capacitor para a outra. Quando uma voltagem é aplicada a um capacitor através de um circuito externo, a corrente flui para uma das placas, carregando-a, enquanto flui da outra placa, carregando-a, inversamente. Em outras palavras, quando a voltagem ou tensão que flui por um capacitor muda, o capacitor será carregado ou descarregado. A fórmula corrente é dada por

$I = \frac{dQ}{dt} = C\frac{dV}{dt}$

Onde I é a corrente fluindo na direção convencional, e dV/dt é o tempo derivativo da voltagem ou tensão.

No caso de uma tensão contínua (DC ou também designada CC) logo um equilíbrio é encontrado, onde a carga das placas correspondem à tensão aplicada pela relação Q=CV, e nenhuma corrente mais poderá fluir pelo circuito. Logo a corrente contínua (DC) não pode passar. Entretanto, correntes alternadas (AC) podem: cada mudança de tensão ocasiona carga ou descarga do capacitor, permitindo desta forma que a corrente flua. A quantidade de "resistência" de um capacitor, sob regime AC, é conhecida como reatância capacitiva, e a mesma varia conforme varia a frequência do sinal AC. A reatância capacitiva é dada por:

$X_C = \frac{1}{2 \pi f C}$

Onde:

X_C = reatância capacitiva, medida em ohms
f = freqüência do sinal AC, em Hertz - Hz
C = capacitância medida em Farads F

É denominada capacitância pois o capacitor reage a mudanças na tensão, ou diferença de potencial.

Desta forma a reatância é proporcionalmente inversa à freqüência do sinal. Como sinais DC (ou CC) possuem freqüência igual a zero, a fórmula confirma que capacitores bloqueiam completamente a corrente aplicada diretamente, após um determinado tempo, em que o capacitor está carregando. Para correntes alternadas (AC) com freqüências muito altas a reatância, por ser muito pequena, pode ser desprezada em análises aproximadas do circuito.

A impedância de um capacitor é dada por:

$Z = \frac{-j}{2 \pi f C}$

cujo j é o número imaginário.

Portanto, a reatância capacitiva é o componente imaginário negativo da impedância.

Em um circuito sintonizado tal como um receptor de rádio, a freqüência selecionada é uma função da indutância (L) e da capacitância (C) em série, como dado em

$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$

Essa é a freqüência na qual a ressonância ocorre, em um circuito RLC em série.

Associação de capacitores

Num circuito de condensadores montados em paralelo todos estão sujeitos à mesma diferença de potencial (voltagem). Para calcular a sua capacidade total (C_eq):

A diagram of several capacitors, side by side, both leads of each connected to the same wires

$C_{eq} = C_1 + C_2 + \cdots + C_n \,\!$

A corrente que flui através de capacitores em série é a mesma, porém cada capacitor terá uma queda de voltagem (diferença de potencial entre seus terminais) diferente. A soma das diferenças de potencial (voltagens) é igual a diferença de potencial total. Para conseguir a capacitância total:

A diagram of several capacitors, connected end to end, with the same amount of current going through each

$\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots + \frac{1}{C_n}$

Practical capacitors

Capacitores Comuns

Pequenos capacitores de vários tipos estão disponíveis comercialmente com capacitâncias variando da faixa de pF até mais do que um Farad, e voltagem acima de milhares de volts. Em geral, the higher the capacitance and voltage rating, the larger the physical size of the capacitor (and usually a higher price as well). Tolerances for discrete capacitors are usually specified as 5 or 10%.

Capacitors are often classified according to the material used as the dielectric. The following types of dielectric are used.

ceramica (low values up to about 1μF)
- C0G or NP0 - Typical 4.7pF to .047uF, 5%. High tolerance and temperature performance. Larger and more expensive.
- X7R - Typical 3300pF to .33uF, 10%. Good for non-critical coupling, timing applications.
- Z5U - Typical .01uF to 2.2uF, 20%. Good for bypass, coupling applications. Low price and small size.
polystyrene (usually in the picofarad range)
polyester (from about 1nF to 1μF)
polipropilenio (low-loss, high voltage, resistant to breakdown)
tantalum (compact, low-voltage devices up to about 100μF)
electrolytic (high-power, compact but lossy, in the 1μF-1000μF range)
air-gap

Important properties of capacitors, apart from the capacitance, are the maximum working voltage and the amount of energy lost in the dielectric. For high-power capacitors the maximum ripple current and Equivalent Series Resistance (ESR) are further considerations. A typical ESR for most capacitors is between 0.0001 and 0.01 ohm, low values being preferred for high-current applications.

Since capacitors have such low ESRs, they have the capacity to deliver huge currents into short circuits, which can be dangerous. For safety purposes, all large capacitors should be discharged before handling. This is done by placing a small 1 to 10 ohm resistor across the terminals, i.e. shorting through a resistance.

Capacitors can also be fabricated in semiconductor integrated circuit devices using metal lines and insulators on a substrate. Such capacitors are used to store analogue signals in switched-capacitor filters, and to store digital data in dynamic random-access memory (DRAM). Unlike discrete capacitors, however, in most fabrication processes, precise tolerances are not possible (15-20% is considered good).

Capacitores variáveis

There are two distinct types of variable capacitors, whose capacitance may be intentionally and repeatedly changed over the life of the device:

Those that use a mechanical construction to change the distance between the plates, or the surface of the area of the overlapping plates. These devices are called tuning capacitors or simply "variable capacitors", and are used in telecommunication equipment for tuning and frequency control.
Those that use the fact that the thickness of the depletion layer of a diode varies with the DC voltage across the diode. These diodes are called variable capacitance diodes, varactors or varicaps. Any diode exhibits this effect, but devices specifically sold as varactors have a large junction area and a doping profile specifically designed to maximize capacitance.
In a capacitor microphone (commonly known as a condenser microphone), the diaphragm acts as one plate of a capacitor, and vibrations produce changes in the distance between the diaphragm and a fixed plate, changing the voltage maintained across the capacitor plates.

Electric Double Layer Capacitors (EDLCs)

These devices, often called supercapacitors or ultracapacitors for short, are capacitors that use a molecule-thin layer of electrolyte, rather than a manufactured sheet of material, as the dielectric. As the energy stored is inversely proportional to the thickness of the dielectric, these capacitors have an extremely high energy density. The electrodes are made of activated carbon, which has a high surface area per unit volume, further increasing the capacitor's energy density. Individual EDLCs have capacitances of hundreds or even thousands of farads.

EDLCs can be used as replacements for batteries in applications where a high discharge current is required. They can also be recharged hundreds of thousands of times, unlike conventional batteries which last for only a few hundred or thousand recharge cycles.

Aplicações

Capacitors are commonly used in power supplies where they smooth the output of a full or half wave rectifier.

Because capacitors pass AC but block DC signals, they are often used to separate the AC and DC components of a signal. This method is known as AC coupling.

Capacitors are also used in power factor correction. Such capacitors often come as three capacitors connected as a three phase load. Usually, the values of these capacitors are given not in farads but rather as a reactive power in volts-amps reactive (var).

História

The Leyden jar, the first form of capacitor, was invented at Leiden University in the Holanda. It was a glass jar coated inside and out with metal. The inner coating was connected to a rod that passed through the lid and ended in a metal ball.

Displacement current

The physicist James Clerk Maxwell invented the concept of displacement current, dD/dt, to make Ampere's law consistent with conservation of charge in cases where charge is accumulating, for example in a capacitor. He interpreted this as a real motion of charges, even in vacuum, where he supposed that it corresponded to motion of dipole charges in the ether. Although this interpretation has been abandoned, Maxwell's correction to Ampere's law remains valid (a changing electric field produces a magnetic field).

The displacement current must be included, for example, to apply Kirchhoff's current law to a capacitor.

Veja também:

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