Capacitores: o que são, como funcionam, fórmulas e aplicações

Os capacitores estão presentes em vários utensílios do nosso cotidiano. Na Física, costumamos estudá-los na eletrostática e na eletrodinâmica.

Tanto o Exame Nacional do Ensino Médio (Enem) quanto vários vestibulares do Brasil já trouxeram questões sobre esses dispositivos elétricos. Vamos entender o que eles são e como funcionam?

O que é um capacitor?

Capacitores são dispositivos capazes de armazenar energia elétrica em seu interior, para que ela possa ser utilizada posteriormente. Isso é possível graças ao armazenamento de cargas elétricas entre seus terminais.

Essa definição pode lembrar um pouco os geradores elétricos, como pilhas e baterias. Afinal, esses dispositivos também armazenam energia elétrica. Então, qual é a diferença entre um capacitor e um gerador convencional?

Os capacitores armazenam energia graças a um campo elétrico estabelecido entre seus terminais. Essa energia é liberada rapidamente para uma determinada finalidade no equipamento onde o capacitor está inserido.

Já os geradores convertem alguma forma de energia em energia elétrica, fornecendo corrente elétrica ao equipamento que alimenta (como um laptop, um smartphone ou um controle remoto).

As baterias (que são um tipo de gerador) têm uma capacidade de armazenamento de energia muito maior do que a dos capacitores, sendo ideais para uso nos aparelhos elétricos de nosso cotidiano. Entretanto, a velocidade de carregamento ou descarregamento dos capacitores é bem alta, sendo essa a característica que os torna muito úteis em circuitos eletrônicos.

Fórmulas e conceitos relacionados aos capacitores

Para poder estudar os capacitores, precisamos entender suas componentes e conhecer suas principais fórmulas.

Componentes de um capacitor

Todo capacitor é formado por duas peças condutoras denominadas armaduras, sendo uma delas o seu terminal positivo e a outra o negativo. Essas peças podem ter diversos formatos, sendo os mais comuns placas paralelas e cilindros coaxiais.

Independentemente do formato, elas são sempre separadas por um material dielétrico, ou seja, um isolante elétrico que impede a transferência direta de cargas entre elas. Em questões de vestibular, é muito comum que o material dielétrico no interior do capacitor seja o próprio ar.

Observe as estruturas desses capacitores nas imagens abaixo:

Esses são os tipos mais comuns de capacitores. Existem outros tipos, que veremos mais adiante. No entanto, independentemente do tipo de capacitor, seu símbolo em um circuito elétrico é formado por duas linhas verticais, paralelas e de mesmo comprimento, como na imagem a seguir.

Como os capacitores funcionam em circuitos?

Para carregar um capacitor, precisamos ligar os seus terminais aos de uma fonte de tensão (gerador). Isso vai estabelecer uma corrente elétrica no circuito, deixando uma placa positivamente carregada (com falta de elétrons) e a outra negativamente carregada (com excesso de elétrons).

Veja esse processo na figura abaixo:

Como existe uma separação de cargas, surgirá uma diferença de potencial (U), ou tensão, entre as armaduras do dispositivo. Quando essa diferença de potencial se igualar à força eletromotriz (ε) do gerador, o capacitor estará completamente carregado.

Uma vez carregado, cada uma das armaduras possuirá carga total (Q), uma com sinal positivo e a outra com sinal negativo. Como as cargas não podem atravessar o material dielétrico que separa as armaduras, elas ficarão ali armazenadas, prontas para serem liberadas quando o capacitor for usado no circuito.

Capacitância

Mesmo que dois capacitores sejam carregados por geradores idênticos, é possível que eles armazenem diferentes quantidades de carga (Q). Isso se deve por conta da capacitância (C), que é a capacidade de cada capacitor de armazenar carga.

Dizemos que um capacitor que consegue acumular mais cargas (para uma mesma diferença de potencial), possui maior capacitância. Para calcular a capacitância de um capacitor, basta dividir sua carga total Q armazenada em cada armadura pela diferença de potencial U entre elas:

Sendo assim, no Sistema Internacional, a unidade de capacitância é o coulomb por volt (C/V), que recebe um nome especial: farad (F).

Tratando-se dos capacitores de placas paralelas (que são os mais cobrados nos vestibulares), a capacitância também pode ser calculada de forma simples a partir das características físicas do dispositivo:

Essas características são: 

• Área superficial de cada placa (A)
• Distância entre as placas (d)
• Constante dielétrica (ε), que depende do material utilizado como meio dielétrico 

A partir dessas características, calculamos a capacitância através da seguinte fórmula:

Note que, quanto maior é a área superficial A das placas, maior é a capacitância e, quanto maior é a distância d entre elas, menor é a capacitância.

Na tabela abaixo, você pode conferir valores de constante dielétrica para diferentes meios:

Meio	Constante dielétrica
Vácuo	1,0
Ar	≈ 1,0
Papel	3,5
Vidro pirex	4,5
Porcelana	6,0
Titanato de estrôncio	332

Energia armazenada em capacitores

A energia potencial eletrostática (E_P), ou energia potencial elétrica, armazenada em um capacitor depende da quantidade de carga (Q) armazenada nas armaduras e da diferença de potencial (U) entre elas.

Calculamos essa energia potencial da seguinte forma:

No entanto, muitas vezes você não terá os valores de Q ou de U. Nesses casos, isole a variável que você não tem na fórmula da capacitância (C = Q/U) e substitua a expressão encontrada na fórmula acima. Olha só como fica:

Campo elétrico de um capacitor

O campo elétrico gerado no interior de um capacitor de placas paralelas é um campo elétrico uniforme, como na figura abaixo.

Como se trata de um campo elétrico uniforme, podemos calculá-lo através da seguinte fórmula:

Em que U é a diferença de potencial entre as placas e d é a distância entre elas.

Isso significa que, quanto maior é a diferença de potencial U, mais intenso é o campo elétrico do capacitor e, quanto maior é a distância d, menos intenso é esse campo.

Caso o campo elétrico seja muito intenso, o material dielétrico pode acabar sendo ionizado, tornando-o um condutor elétrico e danificando permanentemente o capacitor, podendo até mesmo danificar outras componentes do circuito.

A tensão U máxima que pode ser aplicada sem comprometer o material dielétrico é chamada de tensão de ruptura do capacitor.

Tipos de capacitores

Além de ver um exemplo do uso de capacitores de placas paralelas, vamos conhecer dois outros tipos de capacitores que ainda não vimos.

Capacitores de placas paralelas

Esses são os capacitores mais comuns nas questões, já que sua geometria favorece muitos dos cálculos que acabamos de aprender.

No cotidiano, um exemplo desse tipo de capacitor é um teclado que usamos em computadores. Cada tecla se comporta como um capacitor de placas paralelas, com a diferença que, quando é pressionada, a variação da distância entre as placas altera a capacitância.

A ação envia sinais elétricos, interpretados pelo computador como os caracteres ou comandos que estamos digitando.

Capacitores eletrolíticos

Esse tipo de capacitor oferece a vantagem de proporcionar altos valores de capacitância, ao passo que também têm volume menor em comparação com outros tipos de capacitor.

A composição de um capacitor eletrolítico inclui um ânodo de alumínio e um eletrólito (daí o nome desse capacitor). Entre o ânodo e o eletrólito, uma porção de óxido de alumínio, que se comporta como o dielétrico do capacitor.

Capacitores cerâmicos

Já nesse tipo de capacitor, um material cerâmico atua como dielétrico. Entre as camadas desse material, temos eletrodos metálicos. Entre suas aplicações, podemos citar smartphones, televisões e computadores.

Uma vantagem que os capacitores cerâmicos oferecem é a alta estabilidade, podendo suportar altos valores de tensão. Sua capacitância, no entanto, é limitada, bem inferior à dos capacitores eletrolíticos.

Aplicações dos capacitores

Vimos que os capacitores podem ser usados em inúmeros circuitos elétricos de dispositivos do nosso dia a dia, como celulares, televisores e teclados. Existem ainda outras aplicações muito comuns.

Outro exemplo é o flash das câmeras fotográficas, que libera energia rapidamente através da descarga de um capacitor.

Na Medicina, os capacitores são utilizados em desfibriladores através de intensas descargas elétricas.

Nas lavadoras de roupas, é possível usar capacitores, cuja descarga possibilita o giro inicial do tambor. Além disso, algumas tecnologias de touchscreen contam com capacitores para armazenar e descarregar pequenas quantidades de carga elétrica, proporcionando toques mais precisos na tela.

Resumo: capacitores

Antes de praticar o que aprendemos, vamos relembrar os conceitos mais importantes sobre capacitores:

• Capacitores são dispositivos cuja finalidade é armazenar energia elétrica, utilizando-a posteriormente através do processo de descarga em um circuito.
• O processo de carga de um capacitor envolve o acúmulo de cargas elétricas nas armaduras do dispositivo. Esse processo ocorre até que a diferença de potencial entre as armaduras se iguale à força eletromotriz do gerador.
• Capacitância: grandeza que indica a capacidade que um capacitor tem de armazenar cargas elétricas. Podemos calculá-la por C = Q/U. Unidade no SI: farad (F).
• Capacitância de um capacitor de placas paralelas: C = εA/d. A fórmula C = Q/U ainda é válida, mas essa também pode ser usada, caso o capacitor seja de placas paralelas.
• Energia armazenada em capacitores: E_p = (Q · U)/2 = Q²/(2 · C) = (C · U²)/2.
• Campo elétrico de um capacitor: E = U/d.
• Alguns tipos de capacitores: capacitores de placas paralelas, eletrolíticos, cerâmicos.
• Algumas aplicações de capacitores: celulares, televisores, teclados de computador, flash de câmeras fotográficas, desfibriladores, lavadoras de roupas, touchscreen.

Como os capacitores são cobrados no Enem e nos vestibulares

Veja exemplos de exercícios do Enem e do vestibular da UFPR abordando capacitores.

Exemplo 1

(Enem digital 2020) O desfibrilador salva vidas de pessoas que são acometidas por ataques cardíacos ou arritmias. Ele dispõe de um capacitor que pode ser carregado por uma fonte com uma alta tensão. Usando o desfibrilador, pode-se fornecer energia ao coração, por meio de um choque elétrico, para que ele volte a pulsar novamente em seu ritmo normal. Um socorrista dispõe de um desfibrilador com capacitor de 70 microfarads que pode armazenar cerca de 220 J de energia, quando conectado a uma tensão de 2500 V.

O valor da carga armazenada por esse desfibrilador, em coulomb, é de

a) 0,015.
b) 0,088.
c) 0,175.
d) 3,15.
e) 11,4.

Resposta: [C]
Dados: 
C = 70 μF = 70 · 10^-6 F
E_p = 220 J
U = 2500 V

Como queremos descobrir o valor da carga armazenada, basta utilizar a fórmula C = Q/U e isolar Q:
Q = C · U
Q = 70 · 10^-6 · 2500
Q = 0,175 C

Nesse cálculo, não foi necessário utilizar o valor da energia potencial.

Exemplo 2

(UFPR 2024) Capacitores são elementos de circuito que podem armazenar energia quando submetidos a uma diferença de potencial. Num dado circuito, deseja-se que um capacitor de capacitância C armazene uma energia U = 8,0 mJ quando submetido a uma diferença de potencial ΔV = 4,0 V entre seus terminais.

Considerando as informações apresentadas, assinale a alternativa que apresenta corretamente o valor da capacitância C desse capacitor.

a) C = 0,5 mF
b) C = 1,0 mF
c) C = 2,0 mF
d) C = 4,0 mF
e) C = 8,0 mF

Resposta: [B]
Observação: como as alternativas estão em mF, não é necessário transformar o valor da energia de mJ para J. Aplicando a equação que relaciona energia, capacitância e diferença de potencial:

Ep = (C · U²)/2
C = (2 · Ep)/U²
C = (2 · 8)4²
C = 16/16
C = 1,0 mF