Campos elétricos e capacitância

Introdução

Sempre que existe uma tensão elétrica entre dois condutores separados, um campo elétrico está presente no espaço entre esses condutores. Na eletrônica básica, estudamos as interações de voltagem, corrente e resistência no que diz respeito aos circuitos, que são caminhos condutores pelos quais os elétrons podem viajar. Quando falamos sobre campos, no entanto, estamos lidando com interações que podem se espalhar pelo espaço vazio.

Reconhecidamente, o conceito de “campo” é um tanto abstrato. Pelo menos com a corrente elétrica, não é muito difícil imaginar partículas minúsculas chamadas elétrons movendo-se entre os núcleos dos átomos dentro de um condutor, mas um "campo" nem mesmo tem massa e não precisa existir na matéria. .

Apesar de sua natureza abstrata, quase todos nós temos experiência direta com campos, pelo menos na forma de ímãs. Você já brincou com um par de ímãs, percebendo como eles se atraem ou se repelem dependendo de sua orientação relativa? Há uma força inegável entre um par de ímãs, e essa força não tem "substância". Não tem massa, cor ou odor, e se não fosse pela força física exercida nos próprios ímãs, seria totalmente insensível aos nossos corpos. Os físicos descrevem a interação de ímãs em termos de campos magnéticos no espaço entre eles. Se as limalhas de ferro forem colocadas perto de um ímã, elas se orientarão ao longo das linhas do campo, indicando visualmente sua presença.

Os campos elétricos

O assunto deste capítulo são campos elétricos (e dispositivos chamados capacitores que os exploram), não campos magnéticos, mas existem muitas semelhanças. Muito provavelmente você também experimentou campos elétricos. O Capítulo 1 deste livro começou com uma explicação da eletricidade estática e como materiais como cera e lã - quando esfregados uns contra os outros - produziam uma atração física. Novamente, os físicos descreveriam essa interação em termos de campos elétricos gerados pelos dois objetos como resultado de seus desequilíbrios de elétrons. Basta dizer que sempre que houver tensão entre dois pontos, haverá um campo elétrico que se manifestará no espaço entre esses pontos.

A Força de Campo e o Fluxo de Campo

Os campos têm duas medidas:um campo força e um campo fluxo . O campo forçar é a quantidade de "impulso" que um campo exerce sobre uma certa distância . O campo fluxo é a quantidade total, ou efeito, do campo através do espaço . A força de campo e o fluxo são aproximadamente análogos à tensão ("impulso") e corrente (fluxo) através de um condutor, respectivamente, embora o fluxo de campo possa existir em um espaço totalmente vazio (sem o movimento de partículas como elétrons), enquanto a corrente só pode ocorrer onde há elétrons livres para se mover. O fluxo de campo pode ser oposto no espaço, assim como o fluxo de elétrons pode ser oposto pela resistência. A quantidade de fluxo de campo que se desenvolverá no espaço é proporcional à quantidade de força de campo aplicada, dividida pela quantidade de oposição ao fluxo. Assim como o tipo de material condutor dita a resistência específica do condutor à corrente elétrica, o tipo de material isolante que separa dois condutores dita a oposição específica ao fluxo de campo.

Normalmente, os elétrons não podem entrar em um condutor, a menos que haja um caminho para a saída de uma quantidade igual de elétrons (lembra da analogia do mármore no tubo?). É por isso que os condutores devem ser conectados juntos em um caminho circular (um circuito) para que a corrente contínua ocorra. Curiosamente, no entanto, elétrons extras podem ser “espremidos” em um condutor sem um caminho para sair, se um campo elétrico puder se desenvolver no espaço em relação a outro condutor. O número de elétrons livres extras adicionados ao condutor (ou elétrons livres retirados) é diretamente proporcional à quantidade de fluxo de campo entre os dois condutores.

O campo elétrico dos capacitores

Capacitores são componentes projetados para tirar vantagem desse fenômeno, colocando duas placas condutoras (geralmente de metal) próximas uma da outra. Existem muitos estilos diferentes de construção de capacitores, cada um adequado para classificações e propósitos específicos. Para condensadores muito pequenos, duas placas circulares ensanduichadas um material isolante serão suficientes. Para valores maiores de capacitores, as “placas” podem ser tiras de folha de metal, colocadas em torno de um meio isolante flexível e enroladas para compactação. Os valores de capacitância mais altos são obtidos usando uma camada de óxido isolante de espessura microscópica que separa duas superfícies condutoras. Em qualquer caso, porém, a ideia geral é a mesma:dois condutores, separados por um isolador.

O símbolo esquemático de um capacitor é bastante simples, sendo pouco mais do que duas linhas paralelas curtas (representando as placas) separadas por uma lacuna. Os fios são fixados nas respectivas placas para conexão com outros componentes. Um símbolo esquemático mais antigo e obsoleto para capacitores exibia placas intercaladas, o que é, na verdade, uma maneira mais precisa de representar a construção real da maioria dos capacitores:



Quando uma tensão é aplicada nas duas placas de um capacitor, um fluxo de campo concentrado é criado entre elas, permitindo que uma diferença significativa de elétrons livres (uma carga) se desenvolva entre as duas placas:



Como o campo elétrico é estabelecido pela voltagem aplicada, elétrons livres extras são forçados a se acumular no condutor negativo, enquanto elétrons livres são “roubados” do condutor positivo. Essa carga diferencial equivale a um armazenamento de energia no capacitor, representando a carga potencial dos elétrons entre as duas placas. Quanto maior a diferença de elétrons nas placas opostas de um capacitor, maior será o fluxo de campo e maior será a “carga” de energia que o capacitor armazenará.

Como os capacitores armazenam a energia potencial dos elétrons acumulados na forma de um campo elétrico, eles se comportam de maneira bem diferente dos resistores (que simplesmente dissipam energia na forma de calor) em um circuito. O armazenamento de energia em um capacitor é uma função da tensão entre as placas, bem como de outros fatores que discutiremos posteriormente neste capítulo. A capacidade de um capacitor de armazenar energia em função da voltagem (diferença de potencial entre os dois fios) resulta em uma tendência de tentar manter a voltagem em um nível constante. Em outras palavras, os capacitores tendem a resistir às mudanças em tensão. Quando a tensão em um capacitor é aumentada ou diminuída, o capacitor “resiste” à mudança extraindo corrente ou fornecendo corrente para a fonte da mudança de tensão, em oposição à mudança.

Para armazenar mais energia em um capacitor, a voltagem através dele deve ser aumentada. Isso significa que mais elétrons devem ser adicionados à placa (-) e mais retirados da placa (+), sendo necessária uma corrente nessa direção. Por outro lado, para liberar energia de um capacitor, a voltagem através dele deve ser diminuída. Isso significa que alguns dos elétrons em excesso na placa (-) devem ser devolvidos à placa (+), sendo necessária uma corrente na outra direção.

Assim como a Primeira Lei do Movimento de Isaac Newton ("um objeto em movimento tende a permanecer em movimento; um objeto em repouso tende a permanecer em repouso") descreve a tendência de uma massa de se opor a mudanças na velocidade, podemos afirmar a tendência de um capacitor para oponha-se a mudanças na tensão como tal:“Um capacitor carregado tende a permanecer carregado; um capacitor descarregado tende a permanecer descarregado. ” Hipoteticamente, um capacitor deixado intocado manterá indefinidamente qualquer estado de carga de tensão que tenha sido deixado nele. Apenas uma fonte externa (ou dreno) de corrente pode alterar a carga de tensão armazenada por um capacitor perfeito:



Praticamente falando, no entanto, os capacitores acabarão perdendo suas cargas de voltagem armazenadas devido aos caminhos de vazamento interno para que os elétrons fluam de uma placa para a outra. Dependendo do tipo específico de capacitor, o tempo que leva para uma carga de tensão armazenada se auto-dissipar pode ser longo (vários anos com o capacitor em uma prateleira!).

Quando a tensão em um capacitor é aumentada, ele extrai corrente do resto do circuito, agindo como uma carga de energia. Nesta condição, diz-se que o capacitor está carregando , porque há uma quantidade cada vez maior de energia sendo armazenada em seu campo elétrico. Observe a direção da corrente do elétron em relação à polaridade da tensão:



Por outro lado, quando a tensão em um capacitor diminui, o capacitor fornece corrente para o resto do circuito, agindo como uma fonte de alimentação. Nesta condição, diz-se que o capacitor está descarregando . Sua reserva de energia - mantida no campo elétrico - está diminuindo agora, à medida que a energia é liberada para o resto do circuito. Observe a direção da corrente em relação à polaridade da tensão:



Se uma fonte de voltagem for repentinamente aplicada a um capacitor descarregado (um aumento repentino de voltagem), o capacitor extrairá corrente dessa fonte, absorvendo energia dela, até que a voltagem do capacitor seja igual à da fonte. Uma vez que a tensão do capacitor atinge este estado final (carregado), sua corrente cai para zero. Por outro lado, se uma resistência de carga for conectada a um capacitor carregado, o capacitor fornecerá corrente para a carga, até que ela tenha liberado toda a sua energia armazenada e sua tensão caia para zero. Uma vez que a tensão do capacitor atinge este estado final (descarregado), sua corrente cai para zero. Em sua capacidade de ser carregados e descarregados, os capacitores podem ser vistos como algo semelhante a baterias de células secundárias.

A escolha do material isolante entre as placas, como foi mencionado antes, tem um grande impacto sobre a quantidade de fluxo de campo (e, portanto, quanta carga) se desenvolverá com qualquer quantidade de voltagem aplicada nas placas. Devido ao papel deste material isolante em afetar o fluxo de campo, ele tem um nome especial: dielétrico . Nem todos os materiais dielétricos são iguais:a extensão em que os materiais inibem ou estimulam a formação de fluxo de campo elétrico é chamada de permissividade do dielétrico.

A medida da capacidade de um capacitor de armazenar energia para uma determinada quantidade de queda de tensão é chamada de capacitância . Não surpreendentemente, a capacitância também é uma medida da intensidade da oposição às mudanças na tensão (exatamente quanta corrente ela produzirá para uma determinada taxa de mudança na tensão). A capacitância é simbolicamente indicada por “C” maiúsculo e é medida na unidade do Farad, abreviado como “F.”

A convenção, por alguma razão estranha, favoreceu o prefixo métrico “micro” na medição de grandes capacitâncias, e muitos capacitores são classificados em termos de valores microFarad confusamente grandes:por exemplo, um grande capacitor que vi foi classificado como 330.000 microFarads! ! Por que não declarar como 330 miliFarads? Eu não sei.

O nome obsoleto do capacitor

Um nome obsoleto para um capacitor é condensador ou condensador . Esses termos não são usados ​​em nenhum livro novo ou diagrama esquemático (até onde sei), mas podem ser encontrados na literatura eletrônica mais antiga. Talvez o uso mais conhecido do termo “condensador” seja na engenharia automotiva, onde um pequeno capacitor chamado por esse nome era usado para mitigar centelhas excessivas nos contatos da chave (chamados de “pontos”) em sistemas de ignição eletromecânicos.

REVER:

• Capacitores reagem contra mudanças na tensão fornecendo ou puxando corrente na direção necessária para se opor à mudança.
• Quando um capacitor é confrontado com uma tensão crescente, ele atua como uma carga :drenando corrente à medida que armazena energia (a corrente vai para o lado positivo e sai para o lado negativo, como um resistor).
• Quando um capacitor é confrontado com uma tensão decrescente, ele atua como uma fonte :fornecendo corrente à medida que libera energia armazenada (corrente saindo do lado positivo e do lado negativo, como uma bateria).
• A capacidade de um capacitor de armazenar energia na forma de um campo elétrico (e, conseqüentemente, de se opor a mudanças na tensão) é chamada de capacitância . É medido na unidade do Farad (F).
• Capacitores costumavam ser comumente conhecidos por outro termo: condensador (com a grafia alternativa de “condensor”).