Energia de um capacitor carregado, o uso de capacitores

Os metais são excelentes condutores de eletricidade. Eles conduzem eletricidade porque possuem portadores de elétrons livres sem carga elétrica. E se uma diferença de potencial for criada nas extremidades, por exemplo, de um fio de cobre com a ajuda de uma fonte constante de EMF, uma corrente elétrica surgirá nesse fio - os elétrons avançarão do terminal negativo do EMF fonte - ao seu terminal positivo.

Pelo contrário, os dielétricos não são condutores de corrente elétrica, pois não há portadores livres de carga elétrica neles. Os portadores de carga positiva e negativa nos dielétricos estão interconectados e formam os chamados dipolos elétricos, que em um campo elétrico externo só podem girar, mas são incapazes de se mover translacionalmente sob a influência de um campo elétrico.

Mais sobre isso: Diferenças entre metais e dielétricos, e Por que os dielétricos não conduzem eletricidade

Tomemos, por exemplo, um pedaço de dielétrico na forma de um tubo de PVC (cloreto de polivinila é um dielétrico).Cubra a superfície externa do tubo com filme plástico e simplesmente embale em papel alumínio mais amassado para dentro, de modo que toque nas paredes internas do tubo ao redor.

Se agora pegarmos a fonte EMF, digamos bateria de 24 volts e conecte-o com o pólo negativo à folha interna e o pólo positivo à externa, então ambas as partes da folha receberão uma carga de sinais diferentes da bateria e um campo elétrico direcionado de fora para dentro atuam em todo o volume da parede do tubo de PVC.

Portanto, neste campo elétrico, as moléculas dielétricas (PVC) irão girar, orientando-se de acordo com o campo elétrico externo — o dielétrico é polarizado de modo que suas moléculas constituintes viram seus lados negativos para fora - respectivamente, para o eletrodo positivo (para a folha conectada ao plus da bateria), com seus lados positivos - para dentro, para o eletrodo negativo. Vamos remover a bateria.

A carga positiva permanece na folha externa, pois ainda é mantida pelos lados carregados negativamente das moléculas de PVC voltadas para fora, e uma carga negativa no interior, pois é mantida pelos lados positivos das moléculas dielétricas, que viraram interior. Tudo aconteceu de acordo com a lei da eletrostática.

Se você agora fechar as partes externa e interna da folha com um alicate, no momento do fechamento poderá notar uma pequena faísca: as cargas opostas das placas se atraem e causam uma corrente através do fio (pinça) e do dielétrico retorna ao seu estado neutro original.

É seguro dizer que neste dispositivo, composto por um tubo dielétrico e duas placas de alumínio, quando uma bateria é conectada a ele, um acúmulo de Energia elétrica.

Dispositivos com uma configuração semelhante são chamados - um dielétrico fechado entre placas condutoras isoladas umas das outras capacitores elétricos.

É interessante:Capacitores e baterias - qual é a diferença?

Historicamente, o primeiro capacitor protótipo, o Leiden Bank, foi inventado em 1745 em Leiden pelo físico alemão Ewald Jürgen von Kleist e de forma independente pelo físico holandês Peter van Muschenbrück.

A energia de um capacitor carregado depende da tensão (diferença de potencial entre as placas) com a qual está carregado, pois estamos falando da energia potencial de cargas opostas nas placas separadas umas das outras.

Portanto, essa energia é igual ao trabalho que o campo elétrico dessas cargas fará quando se atraem (ou que a fonte fez quando foram separadas durante o carregamento do capacitor). O trabalho elementar de mover uma parte elementar da carga de uma placa para outra é igual a:

Capacitores de configurações diferentes, quando carregados com a mesma quantidade de carga, experimentarão diferentes diferenças de potencial entre as placas. Também pode-se dizer que para diferentes capacitores, diferentes tensões aplicadas às placas resultarão em uma carga quantitativamente diferente.

Na prática, isso significa que cada capacitor possui um determinado valor constante, característica que caracteriza aquele determinado capacitor, relacionado à sua configuração, formato das placas, constante dielétrica do dielétrico, etc. Este parâmetro é chamado capacidade elétrica C. A carga de um capacitor q está relacionada à diferença de potencial entre suas placas U da seguinte forma:

Portanto, a expressão para a energia total do capacitor carregado, uma vez integrado, pode ser escrita da seguinte forma:

Hoje, os capacitores são usados ​​em vários campos da ciência e tecnologia: como dispositivos de armazenamento de energia elétrica, como filtros para suavização de ondas em fontes de alimentação, durante circuitos de controle RC de dispositivos eletrônicos, em dispositivos de compensação de energia reativa, em instalações de indução e dispositivos de rádio como parte de um circuito oscilante, em potentes geradores de pulsos, em aceleradores eletromagnéticos, em medidores de umidade do ar, etc.

Para mais detalhes veja aqui:Por que os capacitores são usados ​​em circuitos elétricos?