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Eletromagnetismo |
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Formulação covariante [en] |
A capacitância ou capacidade elétrica é a grandeza escalar que mede a capacidade de armazenamento de energia em equipamentos e dispositivos elétricos, relacionando carga com diferença de potencial[1]. Sua unidade é dada em farad, representada pela letra F[1]. A capacitância aparece de diversas formas, como a capacitância quântica e até capacitância negativa, e é parte essencial do estudo do eletromagnetismo.
O dispositivo mais usual para armazenar carga é o capacitor (português brasileiro) ou condensador (português europeu). A capacitância é calculada pela relação entre a diferença de potencial (ou tensão elétrica) existente entre as placas do capacitor e a carga elétrica nele armazenada:
,
- Onde:
- é a capacitância, expressa em farads. Como esta unidade é relativamente grande, geralmente são utilizados os seus submúltiplos,Farad é equivalente a coulomb por volt.
- é a carga elétrica armazenada, medida em coulombs;
- é a diferença de potencial (ou tensão elétrica), medida em volts.
Introdução
[editar | editar código-fonte]A constante de proporcionalidade entre carga e tensão elétrica, a capacitância, depende somente da geometria das placas, e não da carga ou da diferença de potencial. Sendo a capacitância a quantidade de carga acumulada nas placas do capacitor necessária para produzir uma certa diferença de potencial, quanto maior a capacitância, maior a carga[2].
A capacitância se verifica sempre que dois condutores estiverem separados por um material isolante, formando assim um capacitor. Assim, a capacitância depende do dielétrico que se introduza entre as duas superfícies do condensador. Quanto maior for a constante dielétrica do material não condutor introduzido, maior será a capacitância. Em um capacitor carregado, a carga dos condutores, chamados de placas, é igual em ambos e possui somente o sinal oposto[2].
Carregar um capacitor é, por exemplo, colocá-lo em um circuito elétrico com um gerador de tensão. Ao ser submetido à passagem de corrente elétrica, as placas do capacitor tornam-se carregadas com a mesma carga, em módulo, mas com sentidos opostos, uma carregada negativamente e a outra carregada positivamente[1]. Existe, também, as chamadas capacitâncias mútuas (entre dois condutores) e próprias (em condutores isolados). Pode-se afirmar que até o planeta Terra possui uma capacitância[3].
Campo elétrico e diferença de potencial
[editar | editar código-fonte]Cálculo do campo elétrico
[editar | editar código-fonte]Para relacionar o campo elétrico entre as placas de um capacitor à carga de uma das placas, usa-se a lei de Gauss[2]:
,
Com essa equação, relaciona-se a carga envolvida por uma superfície gaussiana e o fluxo elétrico que atravessa essa superfície. No caso do vetor campo elétrico e o diferencial de área serem paralelos, pode-se resumir a lei de Gauss da seguinte forma[2]:
,
Onde A seria a área da parte da superfície gaussiana através da qual existe um fluxo elétrico.[2]
Cálculo da diferença de potencial
[editar | editar código-fonte]A diferença de potencial entre as placas de um condutor relaciona-se ao campo elétrico pela seguinte equação[2]:
.
Para o cálculo da integral, escolhe-se uma trajetória que acompanha uma linha de campo elétrico, da placa negativa até a positiva. Logo, o vetor campo elétrico e o vetor diferencial de superfície vão possuir sentidos opostos.[2]
Assim, pode-se resumir a equação da seguinte forma:
,
Onde os sinais + e - indicam que a trajetória da integração começa na placa negativa e termina na placa positiva[2].
Armazenamento de energia
[editar | editar código-fonte]Para carregar um capacitor, a bateria (ou gerador) deve realizar trabalho. O trabalho necessário para carregar um capacitor é convertido na energia potencial elétrica U do campo elétrico que existe entre as placas[2]. Quanto maior a carga do capacitor, maior a diferença potencial entre as placas, logo, maior será a "dificuldade" em armazenar carga adicional no capacitor[3]. O trabalho infinitesimal dW realizado pela bateria com uma diferença de potencial ΔV para armazenar uma quantidade infinitesimal de carga dq em um capacitor de capacitância C é[3]:
,
Onde ΔV e q' são, respectivamente, diferença de potencial instantânea e carga instantânea do capacitor no processo de carregamento[3]. O trabalho necessário para carregar o capacitor com uma carga final q é dado por[2]:
,
Que é a energia potencial, U, do capacitor. Outras formas de representar a energia potencial são[3]:
,
Existe também a densidade de energia elétrica, o potencial elétrico por unidade de volume[3]:
Capacitores comuns
[editar | editar código-fonte]Capacitor de placas paralelas
[editar | editar código-fonte]Considerando um capacitor de placas paralelas ideal, formado por duas placas condutoras muito grandes e próximas (separadas por uma distância d), com vácuo entre as mesmas, com uma placa possuindo carga +q e, a outra, carga -q[3].
A Lei de Gauss para encontrar o campo elétrico em um capacitor de placas paralelas resulta em[1]:
,
Onde A é a área da placa positivamente carregada e q o valor de sua carga.
A diferença de potencial entre as duas placas, em termos do campo elétrico, e escolhendo o caminho de integração da placa negativa para a positiva, é[3]:
,
Por fim, relacionando a carga à diferença de potencial, tem-se, então, o valor da capacitância em um capacitor de placas paralelas[3]:
,
É notável que a capacitância em um capacitor de placas paralelas depende somente da área de suas placas e da distância entre elas, ou seja, somente a geometria do capacitor afeta sua capacitância[3].
Capacitor cilíndrico
[editar | editar código-fonte]Como exemplo, usar-se-á um capacitor cilíndrico de comprimento l formado por dois cilindros coaxiais de raios R1 e R2. Supondo que a largura L é muito maior que o raio R2, pode-se desconsiderar os efeitos das bordas sobre o campo elétrico[2]. Considera-se também que as duas placas contêm carga de valor absoluto q[2].
Usando a Lei de Gauss com uma superfície gaussiana na forma de um cilindro de raio r e comprimento L que é coaxial com ambos os cilindros que formam o capacitor, e que possui carga de valor absoluto q, tem-se o cálculo do campo elétrico:
,
Onde (2πrL) é a área da superfície lateral do cilindro gaussiano[2].
Calculando a diferença de potencial através da forma integral (e substituindo a variável campo elétrico pela expressão acima definida), tem-se, após a integração[2]:
,
Relacionando a carga à diferença de potencial, pode-se estabelecer uma equação para o cálculo da capacitância em um capacitor cilíndrico[3]:
,
Assim como no capacitor de placas paralelas, nota-se que a capacitância em um capacitor cilíndrico é influenciada somente por sua geometria[3]. Um capacitor coaxial é considerado um capacitor cilíndrico e tem sua capacitância calculada da mesma forma[4].
Capacitor esférico
[editar | editar código-fonte]Considerando um capacitor esférico formado por duas esferas condutoras concêntricas de raios R1 e R2, com o vácuo como dielétrico e carga de valor absoluto q. Pode-se dizer que o campo elétrico criado é perpendicular à superfície de ambas as esferas e orientado radialmente da esfera positivamente carregada para a externa[3]. Como superfície gaussiana, usa-se uma esfera de raio r concêntrica com as placas do capacitor[2].
Aplicando a Lei de Gauss para o cálculo do campo elétrico, utilizando a superfície gaussiana citada, tem-se[2]:
,
Onde (4πr2) é a área da superfície gaussiana. Utilizando esta equação que descreve o campo elétrico para calcular a diferença de potencial, tem-se, após a integração[2]:
,
Relacionando a carga à diferença de potencial para o cálculo da capacitância em um capacitor esférico, tem-se[3]:
,
Assim como nos outros casos, é visível que a capacitância em um capacitor esférico depende somente de sua geometria[3].
Outras formas de capacitância
[editar | editar código-fonte]Capacitância parasita
[editar | editar código-fonte]Capacitâncias parasitas são capacitâncias indesejadas presentes em um circuito. Quando dois condutores elétricos estão próximos, carregados e há uma diferença de potencial entre eles, pode-se dizer que esta situação cria um capacitor, cuja capacitância é denominada capacitância parasita[5]. Capacitâncias parasitas estão presentes nas mais diversas situações em circuitos elétricos e aplicações do ramo. Um transistor, por exemplo, possui capacitância entre suas junções, e também, por exemplo, existe capacitância parasita em motores, como um motor de indução trifásico acionado por inversor MLP[6].
Capacitâncias parasitas são especialmente prejudiciais em circuitos RF, altas frequências, pois causam instabilidades, problemas de sintonia (em casos de, por exemplo, rádio). Por conta disso, a capacitância parasita tem grande influência negativa sobre a relação sinal-ruído do circuito, o que prejudica bastante seu funcionamento e cria a necessidade de correção deste problema, aplicando meios de minimizar a capacitância parasita, como, por exemplo, manter os terminais dos componentes o mais curto possível.
Capacitância quântica
[editar | editar código-fonte]Em certos casos, como em nanoestruturas, certos efeitos quânticos influenciam no cálculo da capacitância. Em um sistema nanométrico, a quantização de energia adiciona uma contribuição à capacitância, como se fossem dois capacitores em série, um com valor dado pela análise clássica de capacitância e o outro com valor que incorpora a correção quântica[7]. Logo, a capacitância total seria calculado da forma:
,
O cálculo da capacitância quântica é realizado considerando níveis de energia e por uma caracterização microscópica da capacitância[7].
Capacitância negativa
[editar | editar código-fonte]Capacitância negativa é um conceito abstrato que ilustra um fenômeno anormal de, ao remover uma unidade de carga, a diferença de potencial sofre aumento, que ocorre em uma variedade de equipamentos eletrônicos, como diodos Schottky, MESFETs (transistor metal-semicondutor de efeito de campo), aparelhos quânticos mesoscópicos, entre outros[8]. Sendo um fenômeno de natureza dinâmica e experimental, é um termo controverso e ainda pouco estudado. Em eletrostática não é possível haver capacitância negativa.
Este fenômeno também ocorre, em baixas frequências, em diodos emissores de luz orgânicos, os OLEDs[9].
A capacitância negativa é útil também na tecnologia de transistores, criando a possibilidade de transistores com menor consumo de energia[10].
Ver também
[editar | editar código-fonte]- ↑ a b c d H., Hayt Junior, W. (1974). Engineering electromagnetics. [S.l.]: McGraw-Hill. OCLC 710031106
- ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q HALLIDAY, D.; RESNICK, R. (2009). Fundamentos de Física: eletromagnetismo. Volume 3. [S.l.]: Editora LTC
- ↑ a b c d e f g h i j k l m n o Bauer, Wolfgang; Westfall, Gary D.; Dias, Helio (2012). Física para Universitários - Eletricidade e Magnetismo. [S.l.]: AMGH Editora
- ↑ SADIKU, Matthew N. O. (2004). Elementos de Eletromagnetismo. 3. ed. Porto Alegre: Bookman
- ↑ «Capacitance». Capacitor Guide. Consultado em 27 de novembro de 2018
- ↑ RIEHL, Rudolf Ribeiro; RUPPERT, Ernesto (2012). «Método experimental para determinação das capacitancias parasitas do motor de indução trifásico acionado por inversor MLP». Sba Controle & Automação. ISSN 0103-1759. 23 (2): 153-163. Consultado em 27 de novembro de 2018
- ↑ a b Oliveira, Angélica Melo de (Agosto de 2009). «O Cálculo da Capacitância em Sistemas Quânticos: Uma Abordagem por Primeiros Princípios e Aplicações ao Estudo de Nanoestruturas» (PDF). Universidade Federal de Minas Gerais. Dissertação de Mestrado. Consultado em 28 de novembro de 2018
- ↑ Ershov, M.; Liu, H. C.; Li, L.; Buchanan, M.; Wasilewski, Z. R.; Jonscher, A. K. (Outubro de 1998). «Negative capacitance effect in semiconductor devices». IEEE. IEEE Transactions on Electron Devices. 45 (10): 2196 - 2206. doi:10.1109/16.725254
- ↑ Niu, Q.; Crăciun, I.; Wetzelaer, G.-J. A. H.; Blom, P. W. M. (14 de março de 2018). «Origin of Negative Capacitance in Bipolar Organic Diodes». Physical Review Letters. 20 (11). doi:10.1103/PhysRevLett.120.116602. Consultado em 28 de novembro de 2018
- ↑ Venere, Emil; Ye, Peide (18 de dezembro de 2017). «'Negative capacitance' could bring more efficient transistors». Purdue University. Consultado em 28 de novembro de 2018