O Básico Sobre Capacitores

Olá a todos os ávidos leitores deste blog. Hoje quero falar-lhes sobre um componente eletrônico importante, presente na maioria dos circuitos: O Capacitor. O que ele é? Como ele funciona?

O capacitor (também conhecido por condensador) é um componente elétrico/eletrônico chamado reativo, devido a sua propriedade de reagir a variações de corrente. Possui a capacidade de armazenar cargas elétricas através de um campo elétrico (para saber mais sobre campo elétrico, há a postagem "Uma Introdução ao Campo Elétrico"). Suas características são a capacitância e a tensão de trabalho. Porém, antes de falar das características, vamos falar do aspecto físico e do funcionamento de um capacitor.

O capacitor consiste simplesmente de duas placas metálicas separadas por um material isolante, que é chamado de dielétrico. Veja a figura acima e perceba que não há contato elétrico entre as duas placas. Imagine agora que seja aplicado um potencial positivo em "A" e um negativo em "B" de "X" volts em tensão contínua. Dessa forma a placa da esquerda possuirá o potencial positivo de "A" e a placa da esquerda possuirá o potencial negativo de "B". Com isso (devido à proximidade das placas) a placa em "A" (positiva) atrairá os elétrons de "B", enquanto a placa em "B" (negativa) irá repelir os elétrons da placa em "A". Com esse fluxo, se estabelece uma diferença de cargas e cria uma diferença de potencial entre as placas. O fluxo de carga cessa quando a diferença de potencial entre as placas se iguala à tensão entre "A" e "B". Temos então, dessa forma, um capacitor carregado.

O tempo de carga do capacitor é extremamente rápido, mas não é instantâneo. Essa alta velocidade de carregamento se deve ao fato do capacitor não armazenar muita carga. A partir dessa observação analisaremos a primeira característica do capacitor: A Capacitância.

A capacitância, representada pela letra "C" e cuja unidade é o Farad [F], se refere a capacidade de armazenar carga conforme a tensão aplicada. Por exemplo, um capacitor de 1uF armazena uma carga de 1uC para cada volt de tensão aplicado sobre ele. Matematicamente falando, temos que:

$$ \huge C = \frac{q}{V} $$

Onde:

* C representa a capacitância, em Farads de um determinado capacitor;

* q representa a carga, em Coulombs armazenada por ele;

* V representa a tensão, em volts, aplicada sobre o capacitor;

Quanto ao comportamento em CC (previamente comentado), vale fazer algumas observações. Conforme se carrega, a tensão sobre ele aumenta. A corrente varia de forma inversa, diminuindo conforme o aumento da tensão sobre o capacitor. Quando a corrente cessa, finaliza o período chamado transitório e, com isso, o capacitor está plenamente carregado. Esse comportamento pode ser visualizado no gráfico abaixo. Porém, por enquanto, ignoraremos a expressão matemática de carga do capacitor.

A segunda característica do capacitor (além da capacitância), é a tensão de trabalho. Falamos que entre as placas há um isolante chamado dielétrico. Sabemos que, quando a tensão é suficientemente alta, os isolantes passam a conduzir. Tensão de trabalho é, portanto, as tensões abaixo da tensão de rompimento do dielétrico. Se ligado em tensões superiores, ele apresentará uma resistência de fuga podendo, inclusive, entrar em curto-circuito. Em tais tensões, o dielétrico não será suficiente para isolar as duas placas e o componente se danificará.

Vamos agora estudar como os aspectos físicos influenciam na capacitância do componente. Quanto maior a área (tamanho) das placas, maior a capacitância. Faz sentido, pois quanto maior a área, mais elétrons podemos armazenar ali. A distância entre as armaduras também é relevante. Quanto mais próximas estiverem as placas, maior será a interação do campo elétrico e, dessa forma, maior serão as forças de atração e repulsão entre cargas. Por último, o tipo de dielétrico também é importante. Dependendo do material usado no dielétrico, ele poderá concentrar ou dispersar o campo elétrico, aumentando ou diminuindo a capacitância.

Comercialmente, existem alguns tipos comuns de capacitores. Um tipo é o de poliéster. Seus valores comerciais de capacitância variam entre 1nF até 1uF. Possui valor de tensão de trabalho entre 30 e 1000V. Esse capacitor não apresenta polaridade, ou seja, não possui um terminal positivo e um negativo. Sua capacitância é expressa em pF por 3 números e uma letra. Quanto aos números, os dois primeiros expressam os algarismos e o terceiro é o multiplicador. A letra expressa a tolerância, conforme a seguinte tabela:

F= 1%

J= 5%

M= 20%

H= 2,5%

K= 10%

Outro tipo de capacitor é o cerâmico, também conhecido popularmente como "capacitor lentilha". Ele é considerado o mais próximo do capacitor teoricamente ideal. Não apresenta polaridade e possui valores de capacitância entre frações de pF até 1nF. Os mais comuns possuem tensão de trabalho até 500V, porém existem capacitores cerâmicos para alta tensão que suportam até 9KV (vi em um site de venda). Pesquisando na internet, achei um artigo de uma pesquisa sobre a mudança na capacitância de acordo com a variação de tensão no capacitor (mesmo com a tensão dentro da faixa tolerada pelo capacitor). Eu não atesto quanto a veracidade disso, mas prometo pesquisar e fazer alguns testes. Logo mais, postarei os resultados.

Nos capacitores cerâmicos a capacitância vem expressa na forma de três números. Os dois primeiros são os algarismos e o terceiro é o multiplicador. O número obtido representa a capacitância em pF.

Há os capacitores de mica. A mica é um mineral que apresenta alta rigidez dielétrica e estabilidade química, sendo por estes motivos escolhido para confecção de alguns capacitores. Os valores de capacitância desse capacitor variam entre 5pF e 100nF, apresentando alta precisão e altos valores de tensão de trabalho. Esse tipo também não apresenta polaridade. Sua capacitância vem expressa no corpo do componente, junto com sua tolerância e tensão máxima de trabalho.

Por fim existem os capacitores eletrolíticos. Estes são bastante famosos devido a sua alta capacitância. Possuem valores dentro de uma faixa que vai desde 1uF até 20 000uF (20mF). Devido à natureza do seu dielétrico (uma finíssima camada de óxido de alumínio (Al2O3), ele não suporta altas tensões de trabalho, sendo a tensão máxima dos mais comuns algo em torno de 70V. É importante ressaltar que esse capacitor possui polaridade, e ligá-lo errado o fará explodir (literalmente). A ligação errada destrói a camada de óxido que funciona como isolante. A reação que ali ocorre acaba criando vapores. Esses, por sua vez, aumentam a pressão interna e, por fim, rompem a carcaça do componente. Nesse tipo a capacitância vem expressa no corpo do componente, junto com sua tolerância, polaridade e tensão máxima de trabalho.

E, por enquanto, é isso. Futuramente abordarei o capacitor de uma maneira mais profunda e matemática. Mas por enquanto esse post serve como uma introdução. No próximo post sobre esse tema eu falarei sobre o comportamento do capacitor em AC, a reatância capacitiva, sobre a expressão de carga do capacitor e também comentarei algumas de suas aplicações nos dispositivos eletrônicos. Até a próxima e lembrem-se: estudem muito! Abraço!