Capacitores: o que são e quais as suas funções

Capacitores são dispositivos capazes de armazenar energia elétrica em seu interior, para que ela possa ser utilizada posteriormente, quando necessário.

Após ler essa definição, você pode estar se perguntando: "Tá, mas qual é a diferença entre um capacitor e uma pilha/bateria convencional?".

De maneira idêntica, ambos armazenam energia elétrica. No entanto, as baterias 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/descarregamento dos capacitores é bem alta, sendo essa a característica que os torna muito úteis em circuitos eletrônicos.

A estrutura dos capacitores

Agora que já entendemos a função de um capacitor, chegou a hora de estudarmos a sua estrutura interna.

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:

Todavia, independentemente da forma de um capacitor, a sua representação simbólica em um circuito é sempre a mesma: duas linhas verticais e paralelas de mesmo comprimento.

Processo de carregamento

Para carregar um capacitor, precisamos ligar os seus terminais aos terminais de um gerador (como uma pilha ou bateria, por exemplo). Assim que a conexão for feita, surgirá uma corrente elétrica, ou seja, elétrons começam a fluir, deixando uma das placas positivamente carregada (com escassez de elétrons) e a outra negativamente carregada (com excesso de elétrons), como mostrado na figura abaixo.

Inegavelmente, como existe uma separação de cargas, irá surgir uma diferença de potencial entre as armaduras do dispositivo. Quando essa diferencia de potencial (U) se igualar à força eletromotriz (ε) cedida pelo gerador utilizado, o capacitor estará completamente carregado.

Depois de carregado, cada uma das armaduras possuirá uma carga total Q, uma com sinal positivo e a outra com sinal negativo. Obviamente, como as cargas não podem fluir através do material dielétrico, elas ficarão ali armazenadas até que o capacitor seja utilizado ou descarregado.

Capacitância

É importante notar que dois capacitores diferentes, mesmo quando ligados a um mesmo gerador, podem acumular quantidades de carga Q diferentes entre si.

Nesse sentido, dizemos que um capacitor que consegue acumular mais cargas (para uma mesma diferença de potencial), possui uma maior capacitância (C). Essa grandeza pode ser calculada da seguinte forma:

em que Q é o valor da carga total armazenada em cada uma das armaduras quando o capacitor está totalmente carregado e U é a diferença de potencial existente entre elas.

Sendo assim, a unidade de capacitância no S.I. é coulomb por volt (C/V), ao qual damos um nome especial: farad (F).

No caso exclusivo 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:

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.

A capacitância também depende de uma variável ϵ, que chamamos de constante dielétrica, ou seja, ela depende do tipo de material introduzido entre as placas. 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

Graças à separação de cargas em um capacitor, um campo elétrico E é formado entre as suas armaduras e é ali que a energia fica armazenada. Sendo assim, costumamos dizer que a energia de um capacitor é uma energia potencial elétrica (Eₚ).

Sabendo disso, identificamos outra diferença entre capacitores e pilhas/baterias: nelas, o armazenamento ocorre na forma de energia química, que pode ser liberada através de reações de oxirredução.

Essa energia potencial elétrica, armazenada em um capacitor, depende da quantidade total de carga Q presente nas armaduras e da diferença de potencial U que existe entre elas. Sendo assim, matematicamente, podemos calculá-la a partir da seguinte fórmula:

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 a expressão encontrada na fórmula acima. Dessa maneira, chegamos a duas outras fórmulas para calcular a energia elétrica armazenada em um capacitor:

Campo elétrico de um capacitor

Por fim, o campo elétrico gerado no interior de um capacitor de placas paralelas é um campo elétrico uniforme, como mostrado na figura abaixo.

Dessa forma, ele pode ser calculado a partir da seguinte fórmula:

Ou seja, quanto maior é a diferença de potencial U aplicada entre as armaduras, mais intenso é o campo elétrico do capacitor e, quanto maior é a distância existente entre elas, menos intenso é esse campo.

É importante notar que, caso o campo elétrico seja muito intenso, o material dielétrico pode acabar sendo ionizado, tornando-o um condutor elétrico e danificando permanentemente o capacitor e, possivelmente, todo o circuito.

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

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