Capacitores em Física

Introdução a Capacitores

O capacitor elétrico é um dos diversos componentes de um circuito elétrico. A função dele é armazenar energia, através do acumulo de cargas. O capacitor é simbolizado por dois traços de mesmo comprimento, conforme a figura:

Figura 1: Símbolo do capacitor em circuitos elétricos.

Para entender o processo de carga de um capacitor, considere um circuito simples composto por uma d.d.p (bateria) e um capacitor.

Figura 2: Circuito Simples bateria – capacitor

NOTA: Lembre-se que tomaremos o sentido convencional de corrente, ou seja, as cargas vão do polo positivo para o polo negativo.

Teremos uma carga positiva +Q saindo do polo positivo e acumulando-se em um lado do capacitor, que não poderá continuar o caminho devido ao espaçamento entre as placas (esse espaçamento é chamado de dieletro). A outra placa sofrerá uma polarização, tendo uma concentração de cargas negativas.

Figura 3: Esquema de um capacitor carregado.

Podemos dizer então que o capacitor foi carregado por uma carga +Q (conforme a figura 3).

O capacitor possui uma grandeza atrelada a ele chamada de Capacitância. Essa grandeza representa a capacidade que o capacitor tem de acumular carga e durante esse processo, conforme o capacitor vai carregando, a d.d.p dele também aumenta. Logo, temos três grandezas que se relacionam nesse circuito. Podemos formalizar matematicamente essa relação da seguinte forma:

Q = C.U

ou

C = Q/U

Sendo as unidades
• Q = [ C ] Colomb
• U = [ V ] Volts
• C = [ C/V ] = [ F ] Farad

Análise do gráfico QxU e Energia potencial elétrica

É possível ver pela equação que Q e U são grandezas diretamente proporcionais e já que C é uma característica do material, pode-se perceber que o valor máximo de d.d.p (valor da baterial) será encontrado quando o valor de carga for máximo. Com isso em mente, ao montar o gráfico QxU dessa situação:

Figura 4: Gráfico QxU

Teremos um gráfico em que a Área (W) corresponde a Energia armazenada no capacitor ou Energia potencial elétrica E​_P​​el. Logo, a equação que corresponde a essa energia é descrita como:

Epel = Q.U/2 = C.U²/2

Capacitor Plano

Nos circuitos elétricos, é bem comum a utilização de capacitores planos. Observe o esquema abaixo:

Figura 5: Representação capacitor

Analisando geometricamente a placa do capacitor, é possível perceber que a área dessa placa influencia na quantidade de carga que esse capacitor pode armazenar e a proximidade das placas influencia na capacidade de uma indução entre elas. A partir dessas observações, foi possível formar uma equação referente à capacitância de um capacitor plano:

C = ε₀.A/d

Sendo ε um valor característico do meio (ε​₀​​ é para o vácuo). As unidades são:
A = [ m² ] metro quadrado
d = [ m ] metro