Conceito de Capacitância

Ángel Zamora Ramírez | Dez. 2023
Licenciado em Física

A capacidade dos capacitores de armazenar energia elétrica e depois liberá-la os torna muito úteis em diversas situações e estão presentes em muitos circuitos. Os capacitores têm diferentes aplicações, como filtros de frequência, fontes de alimentação, osciladores, estabilizadores de tensão, armazenamento de energia, etc.

Explicando capacitância

Os elementos básicos que constituem um capacitor são condutores separados uns dos outros. Esses condutores podem ter qualquer formato, mas para simplificar os cálculos e visualizar melhor o funcionamento de um capacitor, vamos considerar um sistema formado por duas placas condutoras planas paralelas entre si. Ambas as placas possuem uma área \(A\) e estão separadas por uma distância \(d\) sem qualquer material entre elas.

Agora vamos submeter essas placas a uma diferença de potencial \(V\), por exemplo, conectando cada placa a uma extremidade de uma bateria. Quando fazemos isso, uma corrente elétrica é gerada no circuito. A diferença de potencial causará um fluxo de elétrons do pólo negativo da bateria para a placa à qual ela está conectada, que ganhará elétrons e ficará carregada negativamente. Da mesma forma, haverá um movimento de elétrons da outra placa para o pólo positivo da bateria, o que fará com que a referida placa fique carregada positivamente com a perda de elétrons.

Ressalta-se que neste caso a magnitude da carga elétrica em ambas as placas será a mesma, apenas com sinais opostos, mantendo assim a neutralidade elétrica do capacitor. Este processo para até que a placa negativa receba uma carga \( – q\) e a carga positiva receba uma carga \( + q\). Isso faz com que a diferença de potencial entre as duas placas seja igual à fornecida pela bateria e não haja mais corrente elétrica no circuito. Quando isso acontece dizemos que o capacitor está carregado.

Se as placas da bateria estiverem desconectadas, a diferença de potencial entre elas causará um fluxo de elétrons da placa negativa para a placa positiva até que o potencial elétrico entre elas seja zero. Dizemos então que o capacitor está descarregado e é assim que um capacitor armazena energia elétrica.

A magnitude da carga elétrica (\(q\)) adquirida pelas placas é diretamente proporcional à diferença de potencial \(V\) aplicada e que existe entre ambas as placas, ou seja:

\(q =CV\)

Onde a constante de proporcionalidade \(C\) é o que chamamos de “capacitância”. A capacitância possui unidades de \(C/V\), esta unidade é chamada de “Farad (\(F\))” e é definida como \(1\;F = 1\;C/V\). Com a equação anterior podemos dizer que a capacitância é dada por:

\(C = \frac{q}{V}\)

O curioso mesmo é que a capacitância de um capacitor não depende da carga elétrica ou do potencial elétrico, depende apenas de suas propriedades geométricas e de suas dimensões.

Para perceber isso, voltemos ao exemplo das placas condutoras. Quando o capacitor é carregado, um campo elétrico é gerado entre as duas placas, que é dado por:

\(E = \frac{q}{{A{\varepsilon _0}}}\)

Onde \(E\) é o campo elétrico, \(A\) é a área das placas e \({\varepsilon _0}\) é a permissividade elétrica do vácuo. Resolvendo para \(q\) obtemos que a carga elétrica do capacitor em função do campo elétrico é:

\(q = {\varepsilon _0}EA\)

Além disso, a diferença de potencial que existe entre ambas as placas também pode ser expressa em termos de campo eléctrico da seguinte forma:

\(V =Ed\)

Onde lembramos que \(d\) é a distância que separa as duas placas. Substituindo estas duas últimas equações na expressão da capacitância obtemos que a capacitância deste capacitor de placas paralelas é dada por:

\(C = \frac{{{\varepsilon _0}A}}{d}\)

Como podemos ver, a capacitância deste arranjo depende exclusivamente de suas dimensões. Algo importante a mencionar é que neste caso assumimos que existe um espaço vazio entre ambas as placas, porém, em todos os capacitores ambos os condutores são separados por um material dielétrico ou isolante. Supondo que entre ambas as placas colocamos um material dielétrico com permissividade relativa \({\varepsilon _r}\), a capacitância seria então:

\(C = \frac{{{\varepsilon _r}{\varepsilon _0}A}}{d}\)

Como \({\varepsilon _r} > 1\) para qualquer material que não seja o vácuo, podemos concluir que colocar materiais isolantes entre os condutores de um capacitor aumenta sua capacitância. Quanto maior for a permissividade relativa do isolador, maior será a capacitância do capacitor em questão. Isso ocorre porque os materiais isolantes ficam polarizados na presença de um campo elétrico.

Artigo de: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado em Física. Cursando Mestrado em Engenharia e Física Biomédica.

Referencia autoral (APA): Zamora Ramírez, A.. (Dez. 2023). Conceito de Capacitância. Editora Conceitos. Em https://conceitos.com/capacitancia/. São Paulo, Brasil.

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