O capacitor é um dispositivo que consiste em um meio dielétrico envolvido por armaduras metálicas, e que tem a capacidade de armazenar cargas elétricas. Saiba mais!
Nesta aula você vai aprender o que é um capacitor elétrico, qual a sua origem, para que ele serve e como ele funciona. Além disso, vai conhecer seus diferentes tipos e o que os capacitores tem a ver com o nosso sistema nervoso!
Capacitor e o sistema nervoso
Você já deve ter estudado um pouco sobre sistema nervoso, não é mesmo? Provavelmente você já aprendeu que ele se assemelha a um grande circuito elétrico. Isso porque ao liberar as cargas elétricas através dos neurônios esse sistema conecta cada parte do nosso corpo ao sistema nervoso central, o centro de comando do nosso organismo.
Para que essa conexão ocorra, são necessários impulsos nervosos. E, para que eles sejam produzidos, é necessário que aconteça uma descarga de energia através das membranas celulares.
Mas você deve estar se questionando, o que tudo isso tem a ver com o assunto dessa aula, os capacitores. Pois eu te digo: tem tudo a ver! Então, não perca tempo e leia esta aula até o final para mandar bem no Enem com esse assunto interdisciplinar da área das Ciências da Natureza.
Disposição das cargas elétricas dentro de uma membrana celular
O que é um capacitor
Capacitores ou condensadores elétricos são dispositivos constituídos por dois condutores chamados de “armaduras” ou “placas”. Eles são separados por um meio ou material isolante que corresponda ao dielétrico do capacitor. Esse material pode ser um isolante qualquer, como o vidro, a parafina, o papel, o óleo e, muitas vezes, o próprio ar.
Observando os formatos das armaduras dos capacitores, é possível classificá-los em planos, cilíndricos ou esféricos. Na composição dos circuitos elétricos, os capacitores possuem a função de armazenar cargas e energia elétrica.
Exemplos de capacitores encontrados em circuitos elétricos.
Origem dos capacitores
O cientista inglês Michael Faraday, um físico e químico inglês considerado um dos maiores cientistas de todos os tempos, foi quem desenvolveu o capacitor. Além disso, ele aperfeiçoou o material dielétrico, responsável por isolar as cargas elétricas que se localizam nas placas do capacitor.
Entretanto, o primeiro capacitor a ser construído foi denominado “A Jarra de Leyden”. Ele foi desenvolvido na Universidade de Leyden, na Holanda, por Pieter van Musschenbroek.
Essa jarra era composta de vidro e revestida interna e externamente com metal, sem contato entre as faces. O revestimento interno era conectado a uma vareta que saía pelo gargalo e se interligava a uma esfera de metal. Dessa forma, o vidro funcionava como o material dielétrico e os revestimentos metálicos como as armaduras desse capacitor primário.
Representação do primeiro dispositivo capaz de armazenar cargas elétricas: Jarra de Leyden.
O seu funcionamento se dava ao encostar o terminal superior da jarra em uma máquina eletrostática. Dessa forma, a garrafa poderia armazenar uma grande quantidade de carga elétrica, o que se evidencia por meio do “gancho” condutor da parte direita da foto.
Quando a garrafa está carregada, encostando-se um terminal do gancho da face condutora externa da garrafa e aproximando-se o outro terminal do gancho da parte superior da garrafa, salta uma faísca intensa entre eles.
Capacitor plano
Dentre os mais variados tipos de capacitores, o plano é o mais comum. Ele é formado por duas placas (armaduras) planas iguais, cada uma com área A, colocadas paralelamente e separadas a uma distância d uma da outra. Entre as placas, por sua vez, existe o isolante que é chamado de dielétrico.
Representação de um capacitor plano.
Ao ser conectado em um gerador, o capacitor se carrega. É possível verificar que a capacitância C é:
- diretamente proporcional à área A de suas armaduras;
- inversamente proporcional à distância d entre elas;
- depende da natureza do isolante entre as armaduras.
O que é capacitância
Vale lembrar que a capacitância é a capacidade de objetos condutores armazenarem cargas elétricas. Ela pode ser medida pela divisão da quantidade carga elétrica (Q) presente no capacitor pela diferença de potencial (U) que ele é submetido:
A unidade da capacitância é coulomb/volt no SI e recebe o nome de farad (F) em homenagem a Michael Faraday.
A capacitância de um capacitor plano também pode ser obtida através da medida da área (A) de suas placas e da distância (d) entre elas.
O meio em que se encontra o capacitor também é muito importante na definição de sua capacitância, pois determina a permissividade do dielétrico (ε) do capacitor, o que pode ser representado da seguinte forma:
A constante de permissividade do meio (ε) no vácuo é de 8,85 . 10-12 F/m. É comum, no entanto, utilizar um dielétrico entre as placas do capacitor para aumentar a sua capacitância. Entre as placas de um capacitor plano forma-se uma região de campo elétrico uniforme.
Associação de capacitores
Em geral, os circuitos elétricos e eletrônicos se constituem por vários componentes associados de diferentes maneiras.
A exemplo do que acontece com os resistores, pode-se associar capacitores tanto em paralelo como em série, em busca da capacitância desejada, a qual será chamada de capacitância equivalente.
Dessa forma, o capacitor equivalente da associação dos capacitores é aquele que conserva quantidades iguais de cargas elétricas sob a mesma d.d.p. da associação.
Capacitores “acoplados” em um circuito elétrico.
Associação de capacitores em série
Nessa associação, a placa negativa está ligada à placa positiva. Quando uma fonte de tensão V (bateria) é ligada aos terminais de um capacitor, as cargas removidas de um terminal serão deslocadas para o outro, ou seja, as cargas em ambos os terminais são de mesmo módulo.
Associação de capacitores em série.
Associação de capacitores em paralelo
Em uma associação em paralelo, ligam-se todos os polos positivos a um mesmo potencial. Da mesma forma, ligam-se todos os polos negativos a outro potencial comum. Cada capacitor ficará submetido a uma mesma diferença de potencial.
Para encontrar o capacitor equivalente, deve-se considerar que todos os capacitores possuem a mesma diferença de potencial e que a soma das cargas de cada capacitor é igual à carga do capacitor equivalente.
Cs = C1 + C2 + C3…
Associação de capacitores em paralelo.
Energia em um capacitor
Quando os capacitores estão em processo de carregamento, ou seja, armazenando cargas elétricas, há a formação de pequenos campos elétricos em seus interiores. E, para isso acontecer, é necessário que haja trabalho.
Pode-se dizer, então, que a energia armazenada em um capacitor é igual ao trabalho necessário para carregá-lo com carga Q. Dessa forma, se estabelece uma diferença de potencial entre as placas.
Conforme visto, C = Q/U, que é considerada uma constante para um mesmo capacitor. Assim, o gráfico de U em função de Q é uma reta passando pela origem.
Gráfico de U por Q de um capacitor.
Então, conclui-se que no processo de carga de um capacitor eletrizado com carga Q (qualquer que seja seu sinal), a energia potencial elétrica armazenada no capacitor é numericamente igual à área sob a curva do gráfico e numericamente igual ao trabalho para carregar o capacitor.
Assim:
Cálculo da energia potencial elétrica de um capacitor.
Membrana celular
A membrana celular dos neurônios pode ser comparada a um capacitor. Isso porque cada uma de suas superfícies (extracelular e intracelular) está em contato com uma solução condutora e a própria membrana faz o papel do dielétrico.
Consequentemente, a concentração de cargas elétricas que se estabelece nas proximidades das superfícies da membrana celular (ânions na interna e cátions na externa) cria uma diferença de potencial elétrico entre o interior e o exterior da célula.
Assim, podemos observar que há inúmeros capacitores pelo nosso corpo, fazendo esse processo o tempo todo.
Videoaula
Quer saber mais sobre capacitores? Assista à videoaula do canal Ciência todo Dia:
Exercícios
1 – (UEG GO/2020)
Em um projeto de laboratório é necessário um capacitor de 0,33. Porém, você dispõe apenas de vários capacitores de 1,0. Para a solução desse problema, você deve associar os capacitores da seguinte forma:
a) duas associações em paralelo com três capacitores.
b) dois, associados em série e o terceiro em paralelo.
c) dois, ligados em paralelo e o terceiro em série.
d) três, perfazendo uma ligação em paralelo.
e) três, em uma associação em série.
2 – (Mackenzie SP/2018)
Na associação de capacitores, esquematizada acima, a capacitância está indicada na figura para cada um dos capacitores. Assim, a capacitância equivalente, entre os pontos A e B no circuito, é
a) C.
b) 2C.
c) 3C.
d) 4C.
e) 8C.
3 – (UECE/2019)
Considere um capacitor ideal, composto por um par de placas metálicas paralelas, bem próximas uma da outra, e carregadas eletricamente com cargas opostas. Na região entre as placas, distante das bordas, o vetor campo elétrico
a) tem direção tangente às placas.
b) tem direção normal às placas.
c) é nulo, pois as placas são condutoras.
d) é perpendicular ao vetor campo magnético gerado pela distribuição estática de cargas nas placas.
GABARITO:
- E
- A
- B
