Carregamento e Descarregamento de Capacitor: Experimento Prático de Circuito RC

Materiais Necessários para o Experimento de Carregamento e Descarregamento de Capacitor

Para realizar o experimento, reúna os seguintes itens:

• Bateria de 6 V
• Dois capacitores eletrolíticos, 1.000 µF mínimo (ex.: Radio Shack catálogo #272-1019, 272-1032 ou equivalente)
• Dois resistores de 1 kΩ
• Uma chave toggle SPST (Single-Pole, Single-Throw) (uma chave de luz doméstica funciona bem)

Valores grandes de capacitância são essenciais para alcançar constantes de tempo longas o suficiente para medição precisa com voltímetro e cronômetro.

Como a maioria dos capacitores nestes valores são eletrolíticos, eles são sensíveis à polaridade. O terminal negativo geralmente é marcado com uma linha ou série de linhas apontando para ele; o terminal positivo pode ter um sinal +. Conectar um capacitor ao contrário quase certamente causará sua falha, mesmo a 6 V. Capacitores eletrolíticos com falha podem explodir, liberando químicos cáusticos e emitindo odor forte. Tenha cautela.

Nota de segurança: Se não tiver certeza sobre as marcações de polaridade, consulte o datasheet ou um instrutor qualificado.

Recursos Relacionados

• Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Capítulo 13: "Capacitores"
• Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Capítulo 16: "Constantes de Tempo RC e L/R"

Objetivos de Aprendizado

Após completar este laboratório, você deve ser capaz de:

• Descrever o comportamento de carregamento de um capacitor em um circuito RC.
• Descrever o comportamento de descarregamento.
• Calcular a constante de tempo τ = RC.
• Explicar como conexões em série e paralelo alteram a capacitância total.

Esquemático do Circuito de Carregamento e Descarregamento

Configuração do Experimento

Procedimento

Medição de Tensão Durante o Carregamento

Monte o circuito de carregamento e feche a chave. Use um voltímetro para registrar a tensão no capacitor ao longo do tempo. Observe a subida gradual e exponencial, em vez de um salto repentino.

Para zerar o capacitor, faça curto nos terminais com um pedaço de fio.

A constante de tempo τ de um circuito RC é igual ao produto da resistência pela capacitância. Para um resistor de 1 kΩ e capacitor de 1.000 µF, τ = 1 s. Este é o tempo necessário para a tensão do capacitor atingir aproximadamente 63,2% da tensão da bateria.

Plotar a tensão versus tempo no papel milimetrado revela a curva exponencial inversa característica. Uma constante de tempo de um segundo oferece resolução limitada, então podemos deliberadamente desacelerar o circuito.

Modificando a Constante de Tempo

Aumente τ ajustando:

• a resistência total (ex.: usando mais resistores em série), ou
• a capacitância total (ex.: usando capacitores em série ou paralelo).

Experimente várias combinações em série e paralelo dos dois resistores e dois capacitores para encontrar a configuração que produza a curva de carregamento mais lenta.

Lembre-se: ao conectar capacitores, certifique-se de que os terminais negativos estejam orientados para o terminal negativo da bateria.

O circuito de descarregamento se comporta de forma similar, mas a tensão começa no nível da bateria e decai lentamente quando a chave abre. Repita os experimentos com diferentes arranjos de resistores e capacitores, sempre respeitando a polaridade.

Simulação Computacional

Esquemático SPICE com números de nós:

Netlist (copie o seguinte texto para um arquivo de texto simples chamado rc.cir):

 Circuito de carregamento de capacitor v1 1 0 dc 6 r1 1 2 1k c1 2 0 1000u .ic 0 .tran 0.1 5 .uic .plot tran v(2,0) .end 

Planilhas

• Planilha de Cálculos de Constante de Tempo
• Planilha de Capacitores