Capacitância
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Departamento de Física & Astronomia, Faculdade de Ciências, Universidade purdue, West Lafayette, IN
Este experimento usará c…
1. Carregar um capacitor
- Obtenha um capacitor comercial com capacitância C = 470 μF (ou algum valor semelhante), uma fonte de tensão programável e um medidor de amplificação (ou vários medidores que possam medir a corrente).
- Com a fonte de tensão definida como 0 V, conecte o terminal "+" da fonte de tensão a um terminal do capacitor, com o medidor de amplificação entre eles, e conecte o terminal "−" da fonte de tensão ao outro terminal, como na Figura 1. A conexão pode ser feita com cabos com grampos ou plugues de banana nas portas receptoras do capacitor e instrumentos.
- Troque a fonte de tensão de 0 V para 1 V (em cerca de 1 s) e observe a leitura de corrente transitória no medidor de amplificação. Faça o mesmo por 2 V, 5 V e 10 V (para cada tensão alvo; isso significa primeiro voltar para 0 V, depois mudar para a tensão de destino em cerca de 1 s). Observe que a corrente transitória é maior para uma tensão de alvo maior, como esperado da Equação 2.
- Programe a fonte de tensão para gerar uma rampa de tensão de 0 V a 10 V em 5 s, e regissou a leitura de "estado estável" do medidor de amplificação durante o meio da rampa. Repita para um tempo de rampa de 10, 20 s e 30 s. Plote a corrente observada versus a taxa de rampa de tensão (em V/s).
2. Afinando a capacitância
- Desligue a fonte de tensão e substitua-a por uma bateria de 300 V e substitua o medidor de amplificador por um resistor de 1 MΩ (o objetivo deste resistor é fornecer proteção extra para limitar a corrente no circuito); também substitua o capacitor comercial por um capacitor de placa paralela por uma separação ajustável entre as placas.
- Obtenha um voltímetro de alta impedância (ou "eletrometro") e conecte-o para medir a diferença de tensão V entre as duas placas (a alta impedância impede a descarga do capacitor durante o experimento quando o eletrometro está conectado). Ver Figura 5.
- Conecte a bateria de 300 V ao capacitor da placa paralela, espere até que o eletrometro atinja o estado constante de 300 V (agora o capacitor está totalmente carregado pela fonte de 300 V) e, em seguida, desconecte rapidamente a fonte de tensão das placas. Ver Figura 6. O eletrometro ainda deve ler 300 V.
- Agora aumente a distância d entre as placas para valores maiores como 15 mm, 10 mm e 5 mm, e observe e regise a leitura de tensão correspondente no eletrometro (V); enredo V versus d.
- Aumente para ~ 20 mm, insira uma laje de plástico entre as duas placas e observe o que acontece com V lido pelo eletrometro. A redução de V entre as placas (com carga Q fixada neste caso) resulta da maior constante dielétrica ε do plástico (em comparação com o ar) como o meio do capacitor (referem-se às Equações 1 e 3).
3. Capacitâncias paralelas e séries
- Obter um medidor de capacitância (um "medidor LCR" ou um multi-medidor com um modo de medição de capacitância); obter uma prancha de pão para facilitar as conexões elétricas nesta parte do experimento.
- Obtenha dois capacitores comerciais "cerâmicos" com um capacito de 1 μF, e utilize o medidor de capacitância para verificar sua capacitância, como na Figura 2.
- Conecte os dois capacitores em paralelo e utilize o medidor de capacitância para medir o capacito total (entre os pontos A e B, ver Figura 3).
- Conecte os dois capacitores em série e utilize o medidor de capacitância para medir o capacito total (entre os pontos A e B, ver Figura 4).
Figura 3: Diagrama mostrando dois capacitores conectados em paralelo.
Figura 4: Diagrama mostrando dois capacitores conectados em série.
Figura 5: Diagrama mostrando o carregamento de um capacitor usando uma fonte de tensão, enquanto lê a tensão com um eletrometro.
Figura 6: Depois de desconectar rapidamente a fonte de tensão na Figura 5,a tensão e a carga no capacitor devem permanecer.
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Um capacitor é essencial em circuitos porque resiste a mudanças de tensão armazenando cargas iguais e opostas em seus terminais condutores e, em seguida, fornecendo energia quando a fonte de tensão cai.
Um capacitor é composto por dois terminais condutores, como as duas placas em um "capacitor de placa paralela", separados por um material isolante ou lacuna. Quando a tensão é aplicada em um capacitor, ele consome corrente. Isso faz com que os elétrons se acumulem em uma placa enquanto são repelidos na outra, armazenando cargas iguais e opostas nas duas placas.
A capacidade do componente de armazenar carga é chamada de capacitância e é medida em unidades chamadas Farads.
Este vídeo usa um capacitor de placa paralela para ilustrar o conceito de capacitância e sua dependência de fatores físicos e configuração de rede.
Quando uma fonte de energia é aplicada a um circuito, o capacitor consome "corrente de carga" até que seus condutores estejam totalmente carregados. A quantidade de carga 'Q' que um capacitor pode armazenar depende da capacitância 'C' do componente e da magnitude da tensão fornecida 'V'.
Quando a tensão cai, a carga dos condutores do capacitor flui para o circuito, gerando corrente até que a carga armazenada se esgote, estabilizando assim a flutuação da tensão. Corrente é a taxa de variação na quantidade de carga. Combinando isso com a equação anterior, podemos dizer que o fluxo de corrente para fora do capacitor é a capacitância vezes a taxa de variação da tensão.
O valor de C é constante para um determinado capacitor e pode ser obtido usando esta equação, que mostra que C é diretamente proporcional a A - a área da superfície da placa, d - a distância da folga e épsilon - a constante dielétrica ou "permissividade" do material isolante entre as placas.
A constante dielétrica é uma medida da extensão em que o material se torna polarizado em um campo elétrico.
Assim, dada a relação entre épsilon e C, e C e Q; Em uma determinada tensão, maior a permissividade, maior será a capacidade de armazenamento de carga do capacitor.
O vácuo tem uma constante dielétrica de 8,85x10-12 Farads por metro, denotada ?0. Outras mídias geralmente têm valores de permissividade maiores, que são dimensionados para ?0 e denominados permissividade "relativa" do meio. Por exemplo, a permissividade relativa do ar é de aproximadamente um, os polímeros variam de 2 a 4 e a água destilada é 80.
Agora que as propriedades físicas que afetam a capacitância foram explicadas, vamos dar uma olhada em como medir a capacitância em elementos capacitivos individuais ou em rede.
Para começar, reúna os seguintes materiais: um capacitor comercial com capacitância próxima a 470 micro farad, uma fonte de tensão programável e um amp-ímetro ou multímetro que possa medir a corrente.
Em seguida, com a fonte de tensão ajustada para 0 V, conecte seu terminal positivo ao amp-ímetro. Em seguida, conecte a outra porta do amp-ímetro ao capacitor, usando cabos com grampos ou plugues banana. Isso permite a medição da corrente de saída do capacitor. Em seguida, conecte a porta negativa da fonte de tensão ao outro terminal do capacitor.
Em seguida, mude a fonte de tensão de 0 para 1 V e observe a leitura da corrente transitória no ampe-metro. Em seguida, ajuste a tensão de volta para 0 antes de aumentar para 2 V, 5 V e, finalmente, 10 V. Para cada tensão alvo, permita um segundo de descanso a 0 V entre as mudanças para diferentes tensões alvo. Observe a corrente transitória à medida que a tensão muda.
Conforme previsto pela equação, espera-se que a corrente transitória seja maior para uma tensão alvo maior.
Por fim, programe a fonte de tensão para gerar uma rampa de tensão de 0 V a 10V em 5 segundos e registre a leitura do amp-ímetro de "estado estacionário" no meio da rampa. Em seguida, repita para tempos de rampa de 10 s, 20 s e 30 s.
Agora obtenha um capacitor de placa paralela com separação ajustável entre as placas e use uma bateria de 300 V como fonte de tensão. Substitua o amp-ímetro por um resistor de 1 mega-ohm. Este resistor fornece uma proteção extra limitando o fluxo de corrente no circuito.
Em segundo lugar, conecte um voltímetro de alta impedância, ou eletrômetro, entre as duas placas para medir a diferença de tensão.
Em seguida, conecte a bateria ao capacitor e aguarde até que o eletrômetro também atinja o estado estacionário de 300 V, indicando que o capacitor está totalmente carregado. Em seguida, desconecte rapidamente a bateria das placas. O eletrômetro ainda deve ler 300 V.
Repita a medição após diminuir a distância entre as placas para 15, 10 e 5 mm.
Finalmente, com uma distância da placa do capacitor de 20 mm, insira uma placa plástica entre as duas placas e observe o que acontece com a leitura da tensão do eletrômetro.
Para o capacitor comercial, o gráfico da corrente medida versus taxa de rampa de tensão revela uma relação linear entre os dois parâmetros.
Isso está de acordo com a relação baseada nessa equação, que derivamos anteriormente no vídeo. De acordo com a equação, a inclinação da linha é igual à capacitância.
Para o capacitor de placa paralela com carga fixa, o gráfico de tensão entre as placas versus distância entre as placas é linear. Isso novamente apóia as relações teóricas. Sabemos que a capacitância e a distância da placa são inversamente proporcionais. Também sabemos que quando a carga do condutor é fixa, a capacitância e a tensão também são inversamente proporcionais. A combinação dessas duas equações revela que a tensão e a distância da placa são diretamente proporcionais entre si quando a carga é fixa.
Essa equação também prevê que, com uma carga fixa, quanto maior a constante dielétrica do meio de lacuna, menor seria a tensão entre as placas. Isso foi confirmado quando o ar na lacuna foi substituído por plástico e vimos uma queda na leitura do voltímetro.
Os capacitores são usados em uma grande variedade de aplicações científicas e de engenharia para armazenar, carregar e descarregar seletivamente a eletricidade.
Os capacitores são essenciais para o processamento de sinais elétricos. Por exemplo, os biólogos usaram um teste de duas opções para avaliar como os camundongos reconhecem e respondem a diferentes vocalizações ultrassônicas. Primeiro, os arquivos de som são gravados de mouses vivos e cortados usando filtros passa-alta para selecionar a frequência.
Os circuitos de filtro passa-alta usam capacitores para bloquear oscilações de baixa frequência, pois a condução entre as placas do capacitor geralmente aumenta em frequências mais altas e diminui em baixas frequências. Em seguida, os sons de frequência variável são reproduzidos simultaneamente em dois locais separados, permitindo que os ratos migrem para a vocalização preferida.
Embora as fontes de alimentação sejam CA com corrente flutuante, muitos dispositivos eletrônicos, como computadores, requerem energia CC. Os capacitores são usados em adaptadores de energia CA para filtrar sinais elétricos e estabilizar a alimentação CC, fornecendo uma fonte suave e ininterrupta.
Você acabou de assistir à introdução de JoVE aos capacitores. Agora você deve entender o conceito de capacitância, como medir esse parâmetro físico e como propriedades como distância placa a placa ou material de lacuna afetam o valor da capacitância. Como sempre, obrigado por assistir!
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Q1: What is capacitance and how does a capacitor store charge?
Capacitance is the ability of a capacitor to store charge, measured in Farads. A capacitor consists of two conductive plates separated by an insulating material. When voltage is applied, electrons accumulate on one plate while being repelled from the other, creating equal and opposite charges. This charge storage stabilizes voltage fluctuations in circuits.
Q2: How does plate separation affect capacitance in a parallel plate capacitor?
Capacitance is inversely proportional to the distance between plates. As the gap distance decreases, capacitance increases, allowing the capacitor to store more charge at the same voltage. This relationship is described by the equation C = εA/d, where d is the plate separation, A is plate area, and ε is the dielectric constant.
Q3: What role does dielectric material play in capacitor performance?
The dielectric material between capacitor plates determines the permittivity, or dielectric constant, which directly affects charge storage capacity. Materials with higher permittivity values, such as distilled water with a relative permittivity of 80 compared to air's value of one, enable capacitors to store significantly more charge at a given voltage.
Q4: How is current related to voltage changes in a capacitor?
Current flowing through a capacitor equals capacitance multiplied by the rate of voltage change over time. When voltage changes rapidly, larger transient currents flow. This relationship explains why capacitors pass high-frequency signals while blocking low-frequency oscillations, making them useful in high-pass filter circuits for resistor capacitor resistor inductor and inductor capacitor circuits.
Q5: What happens when a capacitor discharges after the voltage supply is removed?
When voltage is disconnected, stored charge flows from the capacitor's conductors back into the circuit, generating current until the charge is depleted. This discharge process stabilizes voltage fluctuations by supplying energy when the external voltage supply drops, making capacitors essential for maintaining steady electrical signals.
Q6: How do capacitors function in AC power adapters and signal processing?
Capacitors filter electrical signals and stabilize DC supplies in AC power adapters, providing smooth, uninterrupted power to devices like computers. In signal processing, capacitors in high-pass filter circuits block low-frequency oscillations while allowing higher frequencies to pass, enabling selective frequency filtering in applications like ultrasonic vocalization analysis.
Q7: What physical factors determine the capacitance value of a parallel plate capacitor?
Capacitance depends on three physical factors: plate surface area (A), gap distance (d), and the dielectric constant (ε) of the insulating material. The relationship is C = εA/d, showing capacitance increases with larger plate area and higher permittivity, but decreases as the gap distance increases.