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Condensador eléctrico

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Para outros usos deste termo, veja-se Condensador.
Condensadores modernos.
Fig. 1: diversos tipos de condensadores.

Em electricidade e electrónica, um condensador (capacitor em inglês) é um dispositivo que armazena energia eléctrica, é um componente pasivo. Está formado por um par de superfícies condutoras em situação de influência total (isto é, que todas as linhas de campo eléctrico que partem de uma vão parar à outra), geralmente em forma de tabelas, esferas ou lâminas, separados por um material dieléctrico (sendo este utilizado em um condensador para diminuir o campo eléctrico, já que actua como aislante) ou pelo vazio, que, submetidos a uma diferença de potencial (d.d.p.) adquirem um determinado ónus eléctrico, positiva em uma das placas e negativa na outra (sendo nula o ónus total armazenada).

O ónus armazenado em uma das placas é proporcional à diferença de potencial entre esta placa e a outra, sendo a constante de proporcionalidade a chamada capacidade ou capacitancia. No Sistema internacional de unidades mede-se em Faradios (F), sendo 1 faradio a capacidade de um condensador no que, submetidas suas armaduras a um d.d.p. de 1 volt, estas adquirem um ónus eléctrico de 1 culombio.

A capacidade de 1 faradio é bem mais grande que a da maioria dos condensadores, pelo que na prática se costuma indicar a capacidade em micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 ou bico- pF = 10-12 -faradios. Os condensadores obtidos a partir de supercondensadores (EDLC) são a excepção. Estão feitos de carvão activado para conseguir uma grande área relativa e têm uma separação molecular entre as "placas". Assim se conseguem capacidades da ordem de centos ou milhares de faradios. Um destes condensadores se incorpora no relógio Kinetic de Seiko , com uma capacidade de 1/3 de Faradio, fazendo desnecessária a pilha. Também se está a utilizar nos protótipos de automóveis eléctricos.

O valor da capacidade de um condensador vem definido pela seguinte fórmula:

C=\frac{Q_1}{V_1-V_2} = \frac{Q_2}{V_2-V_1}

em onde:

C: Capacidade
Q_1: Ónus eléctrico armazenada na placa 1.
V_1-V_2: Diferença de potencial entre a placa 1 e a 2.

Note-se que na definição de capacidade é indiferente que se considere o ónus da placa positiva ou a da negativa, já que

Q_2 = C(V_2-V_1) = -C(V_1-V_2) = -Q_1\,

ainda que por convênio costuma-se considerar o ónus da placa positiva.

Quanto ao aspecto construtivo, tanto a forma das placas ou armaduras como a natureza do material dieléctrico são sumamente variáveis. Existem condensadores formados por placas, usualmente de alumínio, separadas por ar , materiais cerámicos, mica, poliéster, papel ou por uma capa de óxido de alumínio obtido por médio da electrólisis.

Conteúdo

Energia armazenada

O condensador armazena ónus eléctrica, devido à presença de um campo eléctrico em seu interior, quando aumenta a diferença de potencial em seus terminais, a devolvendo quando esta diminui. Matematicamente pode-se obter que a energia \mathcal{E}, armazenada por um condensador com capacidade C, que é conectado a uma diferença de potencial V_1-V_2, vem dada por:

\mathcal{E} =\int \left(\frac{1}{2}\varepsilon E^2\right)\,\mathrm{d}V =  \frac{1}{2} C(V_1-V_2)^2 = \frac{1}{2} Q_1(V_1-V_2) = \frac{Q_1^2}{2C}

Este facto é aproveitado para a fabricação de memórias, nas que se aproveita a capacidade que aparece entre a porta e o canal dos transistores MOS para poupar componentes.

Comportamentos ideal e real

Fig. 2: Condensador ideal.

O condensador ideal (figura 2) pode definir-se a partir da seguinte equação diferencial:

 i(t) = C{du(t) \over dt} \;

onde C é a capacidade, ou(t) é a função diferencia de potencial aplicada a seus terminais e i(t) a corrente resultante que circula.

Comportamento em corrente contínua

Um condensador real em CC (DC em Inglês) comporta-se praticamente como um ideal, isto é, como um circuito aberto. Isto é assim em regime permanente já que em regime transitório, isto é, ao ligar ou desligar um circuito com condensador, sucedem fenómenos eléctricos transitórios que incidem sobre o d.d.p. em seus bornes (ver circuitos série RL e RC).

Comportamento em corrente alternada

Em CA , um condensador ideal oferece uma resistência ao passo da corrente que recebe o nome de reactancia capacitiva, XC, cujo valor vem dado pela inversa do produto da pulsação ( \quad \omega = 2 \pi f ) pela capacidade, C:

 X_C = {1 \over j \omega C } \;

Se a pulsação expressa-se em radianos por segundo (rad/s) e a capacidade em faradios (F), a reactancia resultará em ohmios .

Fig. 3: Diagrama cartesiano das tensões e corrente em um condensador.

Ao ligar uma CA senoidal v(t) a um condensador circulará uma corrente i(t), também senoidal, que carregá-lo-á, originando em seus bornes uma queda de tensão, -vc(t), cujo valor absoluto pode demonstrasse que tanto faz ao de v(t). Ao dizer que pelo condensador "circula" uma corrente, se deve puntualizar que, em realidade, dita corrente nunca atravessa sua dieléctrico. O que sucede é que o condensador se carrega e descarga ao ritmo da frequência de v(t), pelo que a corrente circula externamente entre suas armaduras.

Fig. 4: Diagrama fasorial.

O fenómeno físico do comportamento do condensador em CA pode-se observar na figura 3. Entre os 0º e os 90º i(t) vai diminuindo desde seu valor máximo positivo à medida que aumenta sua tensão de ónus vc(t), chegando a ser nula quando atinge o valor máximo negativo aos 90º, já que a soma de tensões é zero (vc(t)+ v(t) = 0) nesse momento. Entre os 90º e os 180º v(t) diminui, e o condensador começa a descarregar-se, diminuindo portanto vc(t). Nos 180º o condensador está completamente descarregado, atingindo i(t) seu valor máximo negativo. Dos 180º aos 360º o razonamiento é similar ao anterior.

De todo o anterior se deduze que a corrente fica adiantada 90º respecto da tensão aplicada. Considerando, portanto, um condensador C, como o da figura 2, ao que se aplica uma tensão alternada de valor:


u(t)=V_0 \cdot \sin(\omega t + \beta)

De acordo com a lei de Ohm circulará uma corrente alternada, adiantada 90º (\pi /2 ) com respeito à tensão aplicada (figura 4), de valor:


i(t)=I_0 \cdot \sin(\omega t + \beta + 90^\circ)

onde I_0 = {V_0 \over X_C}. Se representa-se o valor eficaz da corrente obtida em forma polar:


\vec{I} = I \ \underline{\mid \beta + 90^\circ}
Figura 5. Circuitos equivalentes de um condensador em CA.

E operando matematicamente:


\vec{I} = {V \over X_C} \ \underline{\mid \beta + 90^\circ} = {{V \ \underline{\mid \beta}} \over {X_C \ \underline{\mid - 90^\circ}}}

Portanto, nos circuitos de CA, um condensador ideal pode-se assimilar a uma magnitude complexa sem parte real e parte imaginaria negativa:

\vec{X_C} = 0 - X_Cj = X_C \ \underline{\mid - 90^\circ}

No condensador real, terá que ter em conta a resistência de perdas de sua dieléctrico, RC, podendo ser seu circuito equivalente, ou modelo, o que aparece na figura 5a) ou 5b) dependendo do tipo de condensador e da frequência à que se trabalhe, ainda que para análise mais precisos podem se utilizar modelos mais complexos que os anteriores.

Associações de condensadores

Figura 4: Associação série geral.
Figura 5: Associação paralelo geral.

Ao igual que as resistências, os condensadores podem se associar em série (figura 4), paralelo (figura 5) ou de forma mista. Nestes casos, a capacidade equivalente resulta ser para a associação em série:

 {1 \over C_{AB} } ={1 \over C_1} + {1 \over C_2} + ... + {1 \over C_n} = {\sum_{k=1}^n {1 \over C_k} }

e para a associação em paralelo :

C_{AB} = C_1 + C_2 +...+ C_n = \sum_{k=1}^n C_k

Isto é, a média harmônica das capacidades da cada condensador.

É fácil demonstrar estas duas expressões, para a primeira só há que ter em conta que o ónus armazenado nas placas é a mesma em ambos condensadores (se tem que induzir a mesma quantidade de ónus entre as placas e por tanto muda a diferença de potencial para manter a capacitancia da cada um), e por outro lado na associação em "paralelo", se tem que a diferença de potencial entre ambas placas tem que ser a mesma (devido ao modo no que estão conectados), de modo que mudará a quantidade de ónus. Como esta se encontra no numerador (C=Q/V) a soma de capacidades será simplesmente a soma algébrica.


Para a associação mista proceder-se-á de forma análoga com as resistências.

Aplicações típicas

Os condensadores costumam usar-se para: Baterías, por sua qualidade de armazenar energia. Memórias, pela mesma qualidade. Filtros. Adaptação de impedancias, fazendo-as ressoar a uma frequência dada com outros componentes. Demodular AM, junto com um diodo. O flash das câmaras fotográficas. Canos fluorescentes. Manter corrente no circuito e evitar quedas de tensão.

Condensadores variáveis

Um condensador variável é aquele no qual se possa mudar o valor de sua capacidade. No caso de um condensador plano, a capacidade pode expressar-se pela seguinte equação:

C = \epsilon_0 \epsilon_r \frac{A}{d}

onde:

\epsilon_0: constante dieléctrica do vazio
\epsilon_r: constante dieléctrica ou permitividad relativa do material dieléctrico entre as placas
A :a área efectiva das placas
d: distância entre as placas ou espessura do dieléctrico

Para ter condensador variável há que fazer que pelo menos uma das três últimas expressões mudem de valor. Deste modo, pode-se ter um condensador no que uma das placas seja móvel, portanto varia d e a capacidade dependerá dessa deslocação, o qual poderia ser utilizado, por exemplo, como sensor de deslocação.

Outro tipo de condensador variável apresenta-se nos diodos varicap.

Tipos de dieléctrico utilizados em condensadores

Condensadores electrolíticos axiais.
Condensadores electrolíticos de tantalio.
Condensadores de poliéster.
Condensadores cerámicos, "SMD (montagem superficial)" e de disco".
Condensador variável de uma velha rádio AM.

Veja-se também

Enlaces externos

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