Capacitores - Capacitores armazenam energia elétrica

Os capacitores são dispositivos com capacidade de armazenar energia elétrica. Você já deve ter notado que na parte de trás dos aparelhos de televisão aparece o símbolo de alta tensão. É prudente levá-lo a sério, porque você poderá levar uma descarga elétrica violenta ao mexer no aparelho de forma imprudente, mesmo que ele esteja desligado da tomada. Isso ocorre justamente por causa dos capacitores: mesmo com o aparelho desligado, existe ainda uma grande quantidade de energia elétrica no televisor.

Na natureza tem-se a energia nas mais diferentes formas e ela pode ser transformada, como vimos no artigo sobre trabalho e energia. Além da energia mecânica, temos a energia elétrica. que também pode ser armazenada na forma de energia potencial. O televisor é um exemplo prático do emprego de capacitores, e não é o único que contém esses dispositivos. Os capaciotres estão presentes em flashes das máquinas fotográficas, ventiladores e muitos outros aparelhos eletro-eletrônicos do nosso dia-a-dia.

Capacidade eletrostática ou capacitância

Como foi dito, a energia elétrica pode ser armazenada e isso se faz através do armazenamento de cargas elétricas. Essas cargas podem ser armazenadas em objetos condutores. A capacidade desses objetos de armazenar cargas elétricas é o que define a sua capacidade eletrostática.

Considere um objeto condutor carregado com certa quantidade de carga Q. Isso faz com que o mesmo possua um potencial V. O que é observado experimentalmente é que, se nós dividirmos a quantidade de carga no condutor pelo potencial adquirido, teremos sempre o mesmo resultado. Ou seja, se dobrarmos a quantidade de carga para 2Q, o potencial irá para 2V, pois assim continuaremos obtendo o mesmo resultado. Podemos concluir, então, que a carga armazenada e o respectivo potencial no condutor são proporcionais.

O resultado da divisão da quantidade de carga pelo potencial adquirido pelo condutor é definido como capacidade eletrostática. Sua unidade no Sistema Internacional é o Coulomb por volt que também conhecida como farad (F).

A capacidade eletrostática depende de dois fatores: o formato do condutor e o meio onde ele está imerso. Para exemplificar, vamos considerar um condutor de forma esférica. Para esse condutor em particular, temos a sua capacidade eletrostática dada pela seguinte equação matemática.

R é o raio do condutor e k é a constante eletrostática do meio. Observe que quanto maior for o raio do condutor, maior será a sua capacidade eletrostática. De maneira simples, quando alteramos a forma de um condutor em particular, alteramos uma grandeza que traduz a capacidade desse condutor em armazenar cargas elétricas.

História dos capacitores

O primeiro capacitor foi construído em 1746 pelo físico holandês Pieter van Musschenbroek, na Universidade de Leyden, na Holanda. Esse capacitor era constituído por uma garrafa de vidro, preenchida por água ou outro líquido. Uma rolha era usada como tampa e por essa tampa passava um condutor que entrava em contato com a água. Essa garrafa é conhecida até hoje como a Garrafa de Leyden.

Para se construir um capacitor, são necessárias duas placas de material condutor e, entre elas, um material isolante. No caso da garrafa de Leyden, uma placa é o condutor em contato com o líquido e a outra placa é mão da pessoa que a segura externamente.

Um dos capacitores mais simples de ser estudado é o capacitor plano. Ele é feito de duas placas planas e paralelas com dois terminais. Entre as placas, como já foi dito, é colocado um material isolante, conhecido como dielétrico. Uma maneira de se carregar esse capacitor é ligando os seus terminais aos terminais de uma pilha, como ilustra a figura abaixo.

Observe que as placas, em branco, adquirem cargas com o mesmo sinal do terminal a que estão ligadas na bateria. Nesse capacitor a carga armazenada é igual a Q e ele está submetido a uma diferença de potencial U. A capacidade eletrostática do capacitor é dada por uma relação muito semelhante à da figura 1, só que ao invés do potencial V, teremos a diferença de potencial U.

Vale assinalar que o fato das placas serem paralelas e planas faz com que o campo elétrico formado entre essas placas seja um campo elétrico uniforme. Esse campo é caracterizado por ter a mesma intensidade em toda a sua extensão e pelo fato de as suas linhas de força serem paralelas e igualmente espaçadas.

Energia no capacitor

Sabemos que um capacitor é capaz de armazenar cargas elétricas e, consequentemente, energia potencial elétrica. Uma maneira de se determinar essa energia potencial é utilizar um método gráfico. Pela equação que se encontra na figura 4, monta-se um gráfico da diferença de potencial U pela carga acumulada no capacitor Q. Concluída a construção do gráfico, determina-se a área entre a reta do gráfico e o eixo da diferença de potencial.

Observe que o gráfico resultou numa reta, pois a relação entre U e Q é dada por uma equação do primeiro grau.

Uma aplicação muito simples do capacitor se encontra no flash de máquinas fotográficas. Observe que, ao se ligar o flash, uma luz vermelha leva um certo tempo até acender. Durante o acendimento dessa luz, o capacitor está sendo carregado. Quando a luz está acesa, o flash está pronto para ser disparado. Um fato interessante é que, mesmo depois de desligado, se você apertar o botão disparador do flash, ele irá funcionar. Isso se explica de maneira bem simples. Apesar do desligamento do aparelho, o capacitor continua carregado.