Condensadores
O presente trabalho de pesquisa da cadeira de electricidade e magnetismo foi elaborado com o propósito de explicar os condensadores e dieléctricos, sua constituição, função e entre vários outro itens relacionados a estes conteúdos, para alem disso também irá abordar a descrição microscópica dos dieléctricos bem como o dipolo eléctrico num campo eléctrico externo.
Para a elaboração deste trabalho contamos com auxilio de algumas referencias bibliográfica bem como algumas consultas na internet. Importa ainda referir que este trabalho aborda um resumo de alguma parte das aulas de electricidade e magnetismo, visto que esses itens já foram abordos anteriormente durante as aulas.
Objectivos
Explicar os condensadores e dieléctricos, como também o dipolo eléctrico num campo eléctrico
Condensadores Uma História do Condensador
A história dos condensadores começa em 1745 com a famosa experiência da garrafa de Leyden. Nessa época, os interessados pelos fenómenos electrostáticos faziam várias experiências tentando desvendar os segredos duma ciência que não compreendiam.
Os Condensadores são componentes electrónicos muito simples, porém com grande utilização em circuitos. Do ponto de vista da sua construção, o condensador é um elemento composto por duas placas (condutoras), entre as quais existe um isolante (dieléctrico), que pode ser ar, mica, plástico, óxido ou qualquer material que impeça a passagem de corrente eléctrica.
Princípio de Funcionamento
O condensador tem a capacidade de armazenar nas suas placas, cargas eléctricas opostas. Portanto, a carga total de um condensador é zero. A propriedade que um condensador tem de armazenar energia eléctrica sob a forma de um campo electrostático é chamada de capacidade (C), a qual é equivalente à carga (Q) armazenada num determinado potencial eléctrico (V) existente entre os terminais:
A expressão matemática para o cálculo da capacidade é:
Como pode ver-se na equação acima, a capacidade é a razão entre a carga armazenada nos terminais do condensador e a diferença de tensão entre as placas deste. A unidade de capacidade é o Farad (F) e pode ser definida como o armazenamento de um Coulomb sobre a diferença de potencial de 1 Volt.
Tipos de condensadores
Condensadores actuais
Para alem do condensador de Leyden, Actualmente, os condensadores podem classificar-se em electrostáticos e electrolíticos. Os primeiros podem ser fixos ou variáveis. Os fixos podem ser de dieléctrico de papel, de filme plástico, de cerâmica, de vidro, de mica. Os variáveis podem ser de dieléctrico de ar, de filme plástico, cerâmicos.
Condensador de Placas Paralelas
A capacidade de um condensador de placas paralelas constituído por dois eléctrodos planos idênticos em área A, separados à distância constante d, é aproximadamente matematicamente é igual a:
Onde:
C - capacidade em Farads
µ0- é a permissividade electrostática do vácuo ou espaço livre
µr - é a constante dieléctrica ou permissividade relativa do isolante utilizado.
Associação de Condensadores
Os condensadores podem ser associados em série ou paralelo. Na associação em série, a corrente é igual em todos os condensadores, porém a tensão divide-se de uma forma inversamente proporcional à capacidade. Como pode ser visto na figura abaixo:
Importa frisar que Na associação em paralelo, todos os condensadores recebem a mesma tensão porém a corrente divide-se entre eles na razão directa da capacidade. Abaixo, mostra-se a configuração paralela e a forma como se pode calcular a capacidade equivalente do circuito capacitivo em paralelo
Aplicação dos condendensadores
Os condensadores são usados em circuitos de filtragem para diminuir a ondulação (ripple)
Ø São usados nos aparelhos equalizadores de som, outros em receptores de rádio para eliminar ruídos, outros em colunas de som para separar os sinais para os diversos altifalantes conforme a sua frequência (agudos, médios, graves).
Ø Nos receptores de rádio usam-se condensadores variáveis de ar para sintonizar a estação desejada por variação da frequência de oscilação do condensador com uma bobina.
Ø Usam-se condensadores em diversos pontos dos amplificadores, para acoplar sinais duns andares para outros e para desviar sinais para a massa.
Reactância capacitiva
Ao conectar-se um condensador numa fonte alternada, cada mudança de tensão ocasiona carga ou descarga do condensador, provocando a circulação de uma corrente. A oposição que o condensador apresenta à passagem desta corrente sob regime AC, é conhecida como reactância capacitiva, e a mesma varia conforme varia a frequência do sinal AC. A reactância capacitiva é dada matematicamente por:
Onde
XC = reactância capacitiva, medida em ohms
f = frequência do sinal AC, em Hertz - Hz
C = capacidade medida em Farads - F
Dieléctrico
Um dieléctrico ou isolante eléctrico é uma substância que possui alta Resistência ao fluxo da corrente eléctrica. Este para desempenhar correctamente a sua função, é escolhido através de certos requisitos, tais como:
Ø Elevada resistência eléctrica, para garantir o isolamento entre a peça e o eléctrodo;
Ø elevado poder refrigerante pois este deve arrefecer a peça e o eléctrodo, visto que o aquecimento excessivo pode originar fissuração;
Ø Viscosidade estável pois deve evacuar as partículas da zona de corte com eficácia;
Ø Não tóxico para não libertar substancias tóxicas quando exposto a temperaturas elevadas;
Ø Filtrabilidade; para manter as partículas em suspensão facilitando a filtragem posterior;
Ø Elevado calor latente, pois deve ser resistente as temperaturas elevadas e a oxidação evitando a degradação;
Ø Não corrosivo para não corroer os componentes constituintes da máquina; transparência para facilitar a visualização da zona de trabalho.
Aplicações
Usa-se em capacitores para evitar o risco das placas entrarem em contacto, para além disto qualquer substância submetida a um campo eléctrico pode ironizar-se e tornar-se um condutor.
Usa-se em cabos de potências e RF.
Polarização dos dieléctricos. Noção do campo eléctrico na matéria
Os dieléctricos (ou isoladores) são aqueles materiais que não podem conduzir corrente eléctrica,
Nem podem ser carregados por indução. Pelo contrário aos condutores, nestes materiais não há cargas livres que possam movimentar-se com facilidade. Mas os dieléctricos também são
Constituídos pelas partículas carregadas (os electrões e os protões).Um campo eléctrico (externo), na presença de um corpo isolador, também fica alterado, embora de maneira diferente do que se fosse um condutor. Consideremos um condensador de placas paralelas, isolado e carregado com uma carga Q. Enchamos o espaço entre as placas com um material dieléctrico, por exemplo, cera, medirmos agora a d.d.p. entre as placas do condensador, vamos ver que ela diminui comparando com a situação sem cera. No entanto, a carga armazenada não altera, não há movimento de cargas através da camada de cera. Então, o campo eléctrico no condensador diminuiu devido à presença da cera. Introduzamos um parâmetro, chamado constante dieléctrico que descreve a atenuação do campo eléctrico na camada de cera.
Matematicamente expressa-se da seguinte maneira:
E=
Ou seja, a constante dieléctrica de um material isolador diz quantas vezes mais fraco é o campo eléctrico neste material comparando com o no vácuo. Como o campo eléctrico no condensador é homogéneo, podemos dizer que a constante µ determinada através da relação (75) é, de facto, um parâmetro do material (neste caso, da cêra) e não depende da geometria ou dos tamanhos do corpo isolador. Então, o campo eléctrico no material isolador é µ vezes mais fraco do que no va vazio:
E = °
Isto deve-se ao facto de que num campo eléctrico externo, o isolador fica polarizado, ou seja, aparece uma polarização induzida no material.
Muitos materiais isoladores são constituídos pelos átomos (ou pelas moléculas) que têm um momento dipolar não nulo. Como sabemos, um dipolo tem tendência de alinhar-se com o campo eléctrico externo,
Autor: Jodrino Fulgencio Beltrao
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