Capacitores ou condensadores - O que são, para que servem e como funcionam

Nesse artigo vamos estudar sobre os capacitores, também conhecidos por condensadores, que são dispositivos usados armazenar energia em circuitos elétrico e eletrônico, que junto com os resistores, são os dois elementos de circuitos mais importantes.

O que é um capacitor

Que a eletricidade foi uma das descobertas que mais revolucionaram a história da humanidade, todos sabem e ninguém duvida. Porém, logo após descobrir e manusear a corrente elétrica, um dos maiores problemas e preocupações foi: "Como armazenar as cargas elétricas ?"

A utilidade disso é vasta: armazenar e usar a energia dessas cargas elétricas quando quiser, além de aumentar os efeitos elétricos, decorrente de um alto acúmulo de cargas, o armazenamento de cargas é usado para experiências, para atender altas demandas, para gerar energia quando não há demanda etc.

E é isso que é um capacitor, um dispositivo que armazena energia elétrica armazenando cargas elétricas, para que possam ser utilizadas, guardadas e transferidas de uma maneira mais flexível.

Como funciona um Capacitor

A característica principal do funcionamento dos capacitores é o acúmulo de cargas opostas, em duas placas, separadas por um material isolante (chamados dielétricos) e essas placas ficam o mais próximas, uma da outra, o possível. Como são cargas opostas, elas se atraem, ficando portanto, armazenadas nas superfícies das placas mais próximas do isolante.

Também devido a essa atração e orientação das cargas, um campo elétrico é criado entre as placas, através do material dielétrico do capacitor. Ao contrário do que muitos pensam, a energia que o capacitor armazena não advém das placas, e sim do campo elétrico entre elas. É, portanto, uma energia de campo eletrostático.

A propriedade da capacitância

A capacitância é uma propriedade medir a eficiência dos capacitores, para testes e comparações.
O valor da capacitância é diretamente proporcional ao módulo das cargas em uma das placas e inversamente proporcional a diferença de potencial (voltagem) nas placas do capacitor.

Logo, representando a capacitância pela letra C:
$$C = \frac{Q}{V}$$

Sabemos que, quanto mais carga, mais intenso é o campo elétrico, podemos concluir que a capacitância é diretamente proporcional a área, pois a carga em uma placa é proporcional a área em que as cargas estão distribuídas (pois as cargas se pocisionam de modo uniforme).

Também sabemos que o campo elétrico é inversamente proporcional a distância entre as cargas.
Logo, quando menor a distância entre as placas, maior é a capacidade de armazenamento do capacitor.
A capacitância também é proporcional ao nível de isolmanto dielétrico entre as placas do capacitor.

A capacitância pode ser dada também, por
$$C = \epsilon \frac{A}{d}$$

A unidade da capacitância é Farad (F), que é igual a razão entre a carga elétrica (C) pela voltagem (V).

Energia armazenada no capacitor

Um fator que muito nos interessa à respeito do capacitor, é mensurar sua capacidade de armazenamento de energia, pois esse valor nos fornece a quantidade de energia que podemos extrair de um capacitor. Um grande exemplo de uso dos capacitores, ou condensadores, são os capacitores eletrolíticos, mostrados ao lado.

Se energia é armazenada no capacitor quando ele está carregado de cargas, o capacitor estará sem energia quando for totalmente descarregado eletricamente.
Ou seja, para sabermos a energia armazenada em um capacitor de capacitância C, de d.d.p V que possui carga de módulo Q em cada placa, a energia que ele pode fornecer é igual ao trabalho de levar a carga de uma das placas até a outra, pois elas são iguais em módulo mas de sinal oposto.

Sabemos que o trabalho realizado para movimentar um carga dq entre dois pontos, cuja diferença de potencial entre eles é V, será dispendida uma energia de:
dE = V.dq

Como a carga varia a carga de Q até 0 quando descarrega, para carregar, devemos fornecer um trabalho de quando a carga se inicia em 0 e vai até Q. Integrando:

Logo:
$$E = \frac{Q^2}{2C}$$

Mas como Q=CV
$$E = \frac{QV}{2} = \frac{CV^2}{2}$$

Capacitores e corrente elétrica

Sabemos que corrente elétrica é um fluxo de cargas em um intervalo de tempo.
Como há variação de carga no tempo, quando o capacitor está carregando ou descarregando, há também uma corrente elétrica, de valor variável, atuando no circuito.

Matematicamente:
$$I = \frac{dq}{dt} = \frac{d(CV)}{dt} = C \frac{dV}{dt}$$

Vale ressaltar que, como há um material dielétrico (isolante) entre as placas de um capacitor, a corrente elétrica gerada não passa diretamente de uma placa pra outra. Seu efeito é de armazenar/fornecer carga, e isso gera uma d.d.p nos terminais do capacitor.

Quando o capacitor está totalmente carregado ou descarregado, não há corrente saindo/entrando no capacitor, pois não há mais fluxo de carga. Quando o capacitor está totalmente carregado, dizemos que ele alcançou seu regime estacionário, e quando está totalmente descarregado, dizemos que ele está aberto.

Associação de capacitores

Assim como nos resistores, podemos combinar a posição dos capacitores de modo a obter uma capacitância desejada para nossos fins. Essas posições entre capacitores podem ser em paralelos ou em série.

Capacitores em série:

Sejam os capacitores de capacitâncias:
$$C_1, C_2, C_3, ...C_n$$

E que estejam em série, ou seja, um ao lado do outro.
Podemos substituir todos esses capacitores por um só, de capacitância equivalente que vale:
$$C_{eq} = C_1 + C_2 + C_3 + ... + C_n$$

Capacitores em paralelo:
Sejam os capacitores de capacitâncias:
$$C_1, C_2, C_3, ...C_n$$

E que estejam em paralelo, ou seja, todos estão ligados sob um mesmo potencial, entre os mesmos terminais.
Podemos substituir todos esses capacitores por um só, de capacitância equivalente que vale:
$$\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3} + ... + \frac{1}{C_n}$$