Entendendo a capacitância
Um copo pequeno pode conter uma pequena quantidade de água, enquanto um copo grande pode conter mais. Quanto maior o copo, mais água ele pode conter. Portanto, cada copo tem uma capacidade, ou seja, uma medida da sua capacidade de armazenar água. Assim como os copos, os capacitores também têm a capacidade de armazenar carga elétrica e energia potencial elétrica. A capacidade de um capacitor, ou a medida da sua capacidade de armazenar carga elétrica e energia potencial elétrica, é chamada de capacitância.
Fatores que afetam a capacitância
A capacidade de um copo de armazenar água é determinada pelo seu volume. E quanto aos capacitores? O que determina a capacidade de um capacitor de armazenar carga elétrica?
A figura abaixo mostra um capacitor simples constituído por duas placas condutoras separadas por uma certa distância. Antes de serem conectadas a uma fonte de tensão, como uma bateria, ambas as placas estão descarregadas. Em seguida, uma placa é conectada ao terminal positivo da bateria e a outra ao terminal negativo por meio de fios.
Após ser conectada ao terminal positivo da bateria, a carga positiva da bateria atrai os elétrons com carga negativa na placa, fazendo com que se movam para o terminal positivo da bateria. Isso faz com que a placa apresente uma deficiência de elétrons (carga negativa) e um excesso de prótons (carga positiva), resultando em uma carga positiva.
Da mesma forma, após conectar a placa ao terminal negativo da bateria, a carga positiva na placa atrai os elétrons carregados negativamente no terminal negativo da bateria, fazendo com que os elétrons se movam para a placa. Isso faz com que a placa tenha um excesso de elétrons, tornando-a negativamente carregada.
O processo de transferência de elétrons entre as placas e a bateria cessa quando a diferença de potencial entre as duas placas se iguala à diferença de potencial entre os dois polos da bateria.
Como a carga elétrica em ambas as placas condutoras pode aumentar? Em outras palavras, o que deve ser feito para que a transferência de elétrons ocorra novamente? A transferência de elétrons ocorre somente quando a diferença de potencial elétrico entre os dois polos da bateria é maior que a diferença de potencial elétrico entre as duas placas condutoras. Para que a transferência de elétrons ocorra novamente e a carga elétrica em cada placa condutora aumente, a bateria utilizada deve ser substituída por outra bateria ou outra fonte de tensão com uma diferença de potencial elétrico maior. A transferência de elétrons cessa quando a diferença de potencial da fonte de tensão se iguala à diferença de potencial do capacitor; portanto, se a diferença de potencial da fonte de tensão for maior, a diferença de potencial do capacitor também será maior.
Com base na análise acima, pode-se concluir que quanto maior a carga elétrica armazenada em cada placa condutora, maior será a diferença de potencial elétrico entre as duas placas. Portanto, a carga elétrica (Q) é proporcional à diferença de potencial elétrico (V). A relação entre carga elétrica e diferença de potencial elétrico é expressa pela seguinte proporcionalidade:
Q α V
A proporcionalidade acima é convertida em uma equação adicionando-se a constante de proporcionalidade C:
Q = CV ou C = Q / V
Descrição: Q = carga elétrica (Coulomb), V = diferença de potencial elétrico ou tensão elétrica (Volt), C = constante de proporcionalidade, que é chamada de capacitância do capacitor.
O valor da capacitância não depende da carga elétrica e da tensão, mas sim da forma e do tamanho das placas condutoras. A demonstração matemática de que a capacitância depende da forma e do tamanho das placas condutoras é explicada no artigo sobre os tipos de capacitores com base na forma das placas condutoras, nomeadamente capacitores de placas paralelas , capacitores cilíndricos e capacitores esféricos . No artigo, assume-se que existe vácuo entre as duas placas condutoras.
A capacitância de um capacitor também depende das propriedades do material entre as duas placas condutoras. O material entre as duas placas condutoras é chamado de dielétrico . A capacitância de um capacitor com dielétrico é discutida em detalhes no artigo sobre a constante dielétrica.
Unidade de capacitância
A unidade de carga elétrica é o Coulomb e a unidade de diferença de potencial elétrico é o Volt, portanto, com base na equação da capacitância acima, a unidade de capacitância é Coulomb por Volt (C/V), também chamada de Farad (F), que vem do nome do cientista britânico Michael Faraday (1791-1867). Assim, 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Por exemplo, um capacitor tem um valor de 2 Farads, o que significa que ele armazena uma carga elétrica de +2 Coulombs em uma das placas condutoras e -2 Coulombs na outra placa condutora, onde as duas placas condutoras têm uma diferença de potencial de 1 Volt. Se uma bateria de 12 Volts for conectada ao capacitor, uma das placas condutoras terá uma carga elétrica de Q = CV = (2)(12 Volts) = +24 Coulombs, enquanto a outra placa condutora terá uma carga de -24 Coulombs.
Deve-se notar que Farad é uma unidade de capacitância muito grande, de modo que unidades menores são geralmente usadas, como o microFarad, abreviado como μF (10⁻⁶ Farad ), e o picoFarad, abreviado como pF ( 10⁻¹² Farad). Cálculos matemáticos que demonstram a grandeza do Farad como unidade são discutidos no exemplo de um capacitor de placas paralelas.
