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teoria capacitores e experimento laboratorio de física
Tipologia: Notas de estudo
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Sumário
1 Introdução......................................................................................................... 3 2 1.0 Fundamentos teóricos.................................................................................. 3 2.1 (^) 1.1 Capacitor..................................................................................................... 3 2.2 Propriedades ..................................................................................................... 8 2.3 Propriedades ..................................................................................................... 9 3 2. 0 Material...................................................................................................... 10 4 3.0 Procedimento experimental:....................................................................... 11 5 4.0 Resultados................................................................................................. 11 6 ........................................................................................................................... 7 ........................................................................................................................... 8 4.0 Conclusão.................................................................................................... 15 9 5.0 Referências Bibliográficas.......................................................................... 15
Uma das principais características de um capacitor eletrolítico é que eles tem
polaridade (terminal positivo e terminal negativo). Isso significa que deveremos ter cuidado ao conecta-los ao circuito. Se o capacitor for submetido a uma tensão
maior que a de trabalho ou se a polaridade for invertida ele pode ser danificado.
A faixa de valores pode variar de 1μF a milhares de μF. Esse tipo de capacitor é usado principalmente em fontes de alimentação, para diminuir o ripple. Como, construtivamente esse capacitor é similar a uma bobina ele não é adequado para ser usado em altas freqüências. A figura seguir mostra de diversos
tipos de eletrolíticos.
Na da esquerda para a direita: 1μF (50V) diâmetro 5 mm, altura 12 mm 47μF (16V) diâmetro 6 mm, altura5 mm 100μF (25V) diâmetro 5 mm, altura11 mm 220μF (25V) diâmetro 8 mm, altura12 mm 1000μF (50V) diâmetro18 mm, altura40 mm
Capacitores de Tântalo Capacitores de tântalo são capacitores eletrolíticos que usam um material chamado de tântalo para os eletrodos. Grandes valores der capacitância similares ao de alumínio podem ser obtidas. Capacitores de tântalo são superiores ao de alumínio no que se refere à temperatura e freqüência de operação. Capacitores de tântalo são um pouco mais caro que os de alumínio. São usados em circuitos que precisam que o valor da capacitância seja constante com a temperatura e freqüência
A foto mostra capacitores de tântalo. Os valores são os seguintes da esquerda para a direita:
0.33 μF (35V) 0.47 μF (35V) 10 μF (35V
Capacitores Cerâmicos Internamente esses capacitores não tem estrutura de bobinas, por isso
mesmo podem ser usados em aplicações de alta freqüência. Tipicamente são usados em circuitos que aterram sinais de alta freqüência. Esses capacitores
tem a forma de um disco.
Capacitores de Filme de Poliestireno Nestes capacitores, um filme de poliestireno é usado como dielétrico. Este tipo de capacitor não pode ser usado em circuitos de altas freqüências, pois
eles são construídos com estruturas de bobinas. São usados em circuitos de filtro
e circuitos de tempo que operem até algumas centena de KHz ou menos.
Capacitores de Filme de Poliéster Estes capacitores usam um fino filme de poliéster como dielétrico, sua tolerância é de cerca ±5% to ±10%
Na foto abaixo da esquerda para a direita
Capacitores de Polipropileno São usados quando houver necessidade de pequena tolerância. A capacitância destes capacitores praticamente não muda .Estes capacitores tem uma tolerância de ±1%.
Na foto alguns exemplo de capacitores de polipropileno.
Capacitores de Mica Nesses capacitores a mica é usada como dielétrico. tem boa estabilidade por que o seu coeficiente de temperatura é pequeno. Tem também excelentes características de freqüência, sendo usados em circuitos ressonantes e filtros de alta freqüência. Como tem boa isolação, sendo ideais para circuitos de alta tensão.
Capacitores de mica não possuem grandes valores de capacitância, e são relativamente caros.
Capacitores variáveis Há dois tipos distintos de capacitores variáveis , cujas capacitâncias podem ser mudadas intencionalmente e repetidamente ao longo da vida do dispositivo:
Aqueles que usam uma construção mecânica para mudar a distância entre as placas, ou a superfície da área das placas superpostas. Esses dispositivos são chamados capacitores de sintonia, ou simplesmente "capacitores variáveis", e são usados em equipamentos de telecomunicação para sintonia e controle de freqüências.Neste tipo de capacitor o elemento dielétrico é o próprio ar.
Aqueles que usam o fato de que a espessura da camada de depleção de um diodo varia com a tensão da corrente contínua atravessando o diodo. Esses diodos são chamados de diodos de capacitância variável, varactores ou varicaps. Qualquer diodo exibe esse efeito, mas dispositivos vendidos especificamente como varactores têm uma área de junção grande e um perfil de dopagem especificamente dimensionado para maximizar a capacitância.
Onde q é a quantidade de carga, dada em Coulomb e U é o potencial
eletrostático, dado em Volts.
Para um determinado material, a sua capacitância depende somente de suas dimensões. Quanto maior for o material, maior capacitância ele terá.
A capacitância verifica-se sempre que dois condutores estejam separados por um material isolante.
É possível calcular a energia potencial elétrica do corpo eletrizado, que é a área do triângulo formado no gráfico cartesiano VxQ:
ou A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas:
Pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), um capacitor tem a capacitância de um farad (F) quando um coulomb de carga causa uma diferença de
potencial de um volt (V) entre as placas. O farad é uma unidade de medida considerada muito grande para circuitos práticos, por isso, são utilizados valores
de capacitâncias expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF).
A equação acima é exata somente para valores de Q muito maiores que a carga do elétron (e = 1,602 × 10 −^19 C). Por exemplo, se uma capacitância de 1 pF fosse carregada a uma tensão de 1 μV, a equação perderia uma carga Q = 10 −^19 C, mas isto seria impossível já que seria menor do que a carga em um único elétron. Entretanto, as experiências e as teorias recentes sugerem a existência de cargas fracionárias. A capacitância de um capacitor, é uma constante característica do componente, assim, ela vai depender de certos fatores próprios do capacitor. A área das armaduras, por exemplo, influi na capacitância, que é tanto maior quanto maior for o valor desta área. Em outras palavras, a capacitância C é proporcional à área A de cada armadura, ou seja: A espessura do dielétrico é um outro fator que influi na capacitância. Verifica-se que quanto menor for a distância d entre as armaduras maior será a capacitância C do componente. Este fato também é utilizado nos capacitores modernos, nos quais se usam dielétricos de grande poder de isolamento, com espessura bastante reduzida, de modo a obter grande capacitância
Em geral, os circuitos elétricos e eletrônicos são constituídos de vários
componentes, associados de diferentes maneiras. Uma forma simples de abordar esse tipo de problema é considerar a associação dos componentes de um mesmo
tipo.
Assim como os aparelhos em geral, os capacitores podem ser associados
de vários modos, sendo os principais em série e em paralelo. Se numa associação encontramos ambos os tipos, chamaremos de associação mista.
Esses são elementos de circuito elétrico que tem como principal função o armazenamento de cargas elétricas. Essas associações têm como objetivo obter a capacitância desejada.
Associaçao em Paralelo Nesse tipo de associação, os capacitores são ligados da seguinte forma: a armadura positiva de um capacitor é ligada com a armadura negativa do outro capacitor e assim sucessivamente. Para determinar a capacitância equivalente de uma associação de dois ou mais capacitores.
Em um circuito de capacitores montados em paralelo todos serão expostos à mesma tensão. Para acharmos a sua capacidade total ( C (^) eq ) usamo a seguinte
fórmula: 0 0 0 1 O que caracteriza esse tipo de associação é a igualdade de potencial entre as placas dos capacitores. Na ilustração, as placas superiores estão com o mesmo potencial, dado pelo pólo positivo da baterial. Da mesma forma, as placas inferiores estão com o mesmo potencial negativo. Portanto, as diferenças de potencial são iguais, i.e., V 1 =V 2 =V.
A corrente que flui através de capacitores em série é a mesma, porém cada capacitor terá uma diferença de potencial entre seus terminais, diferente. A soma da tensão será igual a diferença de potencial total.
Propriedades
Capacitores são ditos estarem em conectados em paralelo quando a diferença de potencial entre as placas de cada um deles é a mesma para todos eles.
Associaçao em Série. No caso da associação em série , é fácil concluir que são iguais as cargas acumuladas nas placas de todos os capacitores. Então, se as cargas são iguais, mas as capacitâncias são diferentes, então os potenciais também serão diferentes.
· Uma menor capacitância corresponde a uma maior tensão.
Em uma associação série de capacitores, a tensão se distribui de forma
inversamente proporcional à capacitância dos capacitores. O capacitor de menor capacitância fica com a maior parcela da tensão total.
A determinação do valor de tensão em cada capacitor de uma associação série é feita através das equações da eletrostática.Como forma de simplificação, pode-se adotar um procedimento simples e que evita a aplicação de tensões excessivas a uma associação série de capacitores. Esse procedimento consiste em se associarem em série capacitores de mesma capacitância e mesma tensão de trabalho.Desta forma, a tensão aplicada se distribui igualmente sobre todos os capacitores. A abaixo ilustra este procedimento.
Gerador é um elemento de circuito que transforma qualquer tipo de energia, exceto a elétrica, em energia elétrica. O gerador fornece energia elétrica ao circuito. Ao ser atravessado por uma corrente elétrica, o gerador apresenta uma resistência à passagem dos portadores de carga, esta resistência é conhecida como resistência interna do gerador (r).
Inicialmente montou-se o circuito conforme figura 7. Em seguida selecionou a
escala adequada do multímetro para realizar a medição da corrente entre o resistor e o
reostato e um outro multímetro foi associado em paralelo entre os geradores e o resistor
de 47 Ω^ para realizar a medição da ddp^ e fechou-se o circuito.
Figura 7- Esquema experimental
Os dados coletados encontram-se sintetizados na tabela abaixo:
Tabela 1: Valores da ddp em função da corrente
I (mA) V(v) 0,0359 3, 0,0369 3, 0,0397 3, 0,0425 3, 0,0463 3, 0,0506 3, 0,0569 2, 0,0644 2, 0,0718 2, 0,091 1, 0,106 0, 0,0359 3, 0,0369 3, 0,0397 3,
Considerando a equação do gerador (eq. 1)
U = E – Ri
E fazendo uma analogia à equação encontrada na regressão obtêm
Y = -50,551i + 5,
U = 5,7231-50,551i (8)
É importante observar que o R 2 encontrado para essa equação é de 0,
o que mostra a confiabilidade da equação encontrada.
Utilizando a expressão 8 é possível determinar a força eletromotriz para
uma única pilha, sua resistência interna e a corre nte de curto circuito.
E=5,7231/ E =1,430775 V
R = 0,88775Ω
U = E – Ri 0=5,7231-50,551*Icc Icc = 0,113214A
