UAFM-CES-UFCG
Prática de Ensino II Período 2023.2
Professor Rafael Rodrigues
SIMULAÇÕES COM CAPACITORES
Devido a dificuldade dos estudantes da disciplina de instrumentação conseguir os equipamentos eletrônicos estou enviando esse material da internet. Fazer um relatório individual.
Capacitância de um Capacitor
Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-capacitor.htm
O capacitor é um dispositivo eletrônico que serve para armazenar carga elétrica e energia. Ele é composto por duas armaduras condutoras separadas por um certo meio, sendo uma com carga +Q e a outra com -Q.
Símbolo, representa qualquer capacitor, por exemplo, capacitor esférico ou de placas planas e paralelas:
Você pode usar uma bateria de 12V para carregar as placas de um capacitor de placas planas e paralelas. No início, as placas estão descarregadas. Quando você conectar cada uma nos dois terminais positivo e negativo da bateria, iniciará o movimento dos elétrons
Quando a tensão(diferença de potencial elétrico-ddp) entre as armaduras do capacitor atingir 12V, a mesma tensão da fonte, cessará o movimento dos elétrons. A carga elétrica acumulada nas placas tem uma intensidade proporcional a ddp=U e a constante de proporcionalidade é exatamente a grandeza Física denominada de capacitância do capacitor, ou seja,
C=Q/U.
Note que a carga Q é a intensidade da carga elétrica de cada armadura condutora. A carga total do capacitor é zero. Como a ddp(U) e a carga elétrica são grandezas físicas escalares, a capacitância C sendo a razão de ambas, logo, a capacitância também é um escalar.
Unidade de capacitância no SI: F(farad). A ddp é V(volts) e a carga elétrica Q é C(coulomb).
No caso de capacitor esférico são duas esferas uma dentro da outra. O capacitor cilíndrico são dois cilindros um dentro do outro.
A capacitância de um capacitor de placas paralelas pode ser calculada por meio da seguinte equação:
C=ε A/d
No SI, temos:
C – Capacitância (F)
ε – constante de permissividade elétrica do meio (F/m)
A – Área das placas do capacitor (m²)
d – Distância entre as placas do capacitor (m)
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ENERGIA ARMAZENADA EM CAPACITORES
Pode-se calcular a quantidade de energia potencial elétrica armazenada entre as armaduras de um capacitor usando a seguinte equação:
Epot=QU/2=CU²/2
tendo
EPOT – Energia potencial elétrica (J – joules)
Q – Carga elétrica (C – coulombs)
U – Tensão elétrica (ou diferença de potencial) (V – volts)
No mercado esse armazenador é utilizado para compor circuitos elétricos de diversos aparelhos, citando exemplos, tem-se em sensores, osciladores, máquinas fotográficas, computadores e televisores. O capacitor tem uma função primordial em circuitos retificadores cuja finalidade é obter correntes contínuas (DC), a partir de corrente alternada (AC) e, em circuitos ressonantes, como também em divisores de frequência.
Dada a sua alta gama de aplicações, existem diversos tipos de capacitores, sejam fabricados com materiais distintos ou até mesmo com formatos diferentes, como por exemplo, os esféricos, os cilíndricos, os planos etc. Mesmo com suas modificações externas a sua função continua a mesma, carregar cargas elétricas e depois descarregar em um momento específico.
Possuindo parâmetros que determina a sua capacitância (potencialidade), ou seja, determina a quantidade de carga que ele pode armazenar. Sobre a sua unidade de medição, é importante sobressaltar que é o Farad (F). Mas, a grande maioria dos capacitores possuem subunidades, essas por sua vez são, o microFarad (µF), nanoFarad (nF), ou o picoFarad (pF). Isso ocorre pois, 1 Farad (F) é uma capacitância grande, logo quanto maior a capacitância, maior é o capacitor, para isso existem informações sobre suas tensões máximas que ele pode suportar expostas no capacitor.
São duas as partes que compõem um capacitor:
1) Duas placas (armaduras), que são carregadas com potenciais contrários de mesma intensidade, cuja função é conduzir a energia.
2) Material isolante entre os condutores, chamado dielétrico, cuja função é armazenar a energia por meio do campo elétrico.
As duas placas são feitas de um material metálico, entretanto, o dielétrico por seu um meio isolante ele separa os condutores, eles por sua vez, podem ser de vidro, porcelana, cerâmica, plástico. Existem dielétricos que utilizam o ar e o vácuo para desempenhar a sua função.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Complete as respostas das questões e faça o seu relatórios, tendo objetivos, resultados e conclusão.
Para a realização desta prática será necessário o uso da simulação Capacitores, que pode ser acessada pelo link: https://laboratoriovirtual.fisica.ufc.br.
Nessa simulação é possível ajustar a área das placas do capacitor e a separação entre as placas. Também é possível escolher o dielétrico que preenche o capacitor dentre as 6 opções indicadas.
Vários dos dielétricos indicados apresentam valores da constante dielétrica variando dentro de uma certa faixa, assim, a simulação pode apresentar valores diferentes das constantes dielétricas (mas dentro da faixa) após cada inicialização.
O capacímetro da simulação apresenta um seletor que permite a escolha da escala apropriada para a medida da capacitância. Para a rotação do seletor clique no ponto situado na extremidade do mesmo e arraste para a escala desejada.
Na simulação da experimentação seguir os seguintes procedimentos:
ü Fixar a distância entre as placas do capacitor em 1,0 mm, e considerar o ar como dielétrico;
ü Ajuste a área das placas do capacitor e meça com o capacímetro o valor da capacitância para cada área e preencher os valores na Tabela 1;
ü Anote também a escala do capacímetro utilizada na medida.
ü Fixe a área das placas do capacitor em 15.000 
.
ü Considere o capacitor contendo o ar como dielétrico.
ü Ajuste a separação entre as placas do capacitor e meça com o capacímetro o valor da capacitância, e note os valores na Tabela 2;
ü Anote também a escala do capacímetro utilizada na medida.
Calcular o valor de 1/d.
RESULTADOS
Tabela 1: Dados experimentais da capacitância – [C=f(A)]
Área (mm2) | C (pF) | Escala |
5.000 | 44.3 | 200pF |
7.500 | 66.4 | 200pF |
10.000 | 88.5 | 200pF |
12.500 | 110.6 | 200pF |
15.000 | 132.8 | 200pF |
17.500 | 154.9 | 200pF |
20.000 | 177.0 | 200pF |
22.500 | 199.1 | 200pF |
25.000 | 221 | 2000pF |
Tabela 2: Capacitância em função da distância entre as placas
N | d(mm) | C (pF) | 1/d (mm) | Escala |
1 | 0,5 | 266 | 2.00 | 2000pF |
2 | 0,6 | 221 | 1.67 | 2000pF |
3 | 0,8 | 166 | 1.25 | 2000pF |
4 | 1,0 | 132.8 | 1.00 | 200pF |
5 | 2,0 | 66.4 | 0.50 | 200pF |
6 | 3,0 | 44.3 | 0.33 | 200pF |
7 | 4,0 | 33.2 | 0.25 | 200pF |
8 | 5,0 | 26.6 | 0.20 | 200pF |
RESULTADOS E DISCUSSÃO
1. Fazer o gráfico da capacitância em função da área das placas do capacitor para os dados da Tabela 1. Discutir a forma da curva.
2. Para os dados da Tabela 2, traçar o gráfico da capacitância em função de (1/d).
3. Calcular o coeficiente angular do gráfico do item 2. O que se conclui?
4. Determine a constante dielétrica da porcelana. Indique o procedimento.
A permissividade relativa, também chamada de constante dielétrica, simbolizada por εr, é a permissividade de um material em relação à permissividade do vácuo. A permissividade relativa da porcelana é:
5. Qual o valor da capacitância máxima que pode ser obtida na simulação dessa prática? Indique o dielétrico e os valores de área e separação entre as placas.
REFERÊNCIAS
“Aplicações dos Capacitores”. Disponível em: < https://www.resumoescolar.com.br/fisica/aplicacoes-dos-capacitores/. >. Acessado em: 15 de setembro de 2021.
HELERBROCK, Rafael. "O que é capacitor?"; Brasil Escola. Disponível em:< https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-capacitor.htm. > Acessado em: 15 de setembro de 2021.
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