Definição da capacitância dos capacitores
Um copo pequeno pode conter pouca água, enquanto um copo grande pode conter mais água. Quanto maior o volume do copo, mais água ele pode conter. Portanto, cada copo tem uma capacidade, ou seja, um tamanho que permite armazenar água. Assim como o vidro, os capacitores também podem armazenar cargas elétricas e energia potencial elétrica. A capacidade de um capacitor armazenar carga elétrica e energia potencial elétrica é chamada de capacitância.
Fatores que afetam a capacitância
A capacidade de um copo de conter água é determinada pelo seu volume. E quanto aos capacitores, o que determina a sua capacidade de armazenar carga elétrica?
A figura ao lado mostra um capacitor simples composto por duas placas condutoras separadas por uma certa distância. Antes de serem conectadas a uma fonte de tensão, como uma bateria, as duas placas não estão eletricamente carregadas. Em seguida, uma das placas é conectada ao polo positivo da bateria e a outra placa é conectada ao polo negativo da bateria por meio de um cabo.
Após ser conectado ao polo positivo da bateria, a carga positiva da bateria atrai elétrons com carga negativa para a placa, fazendo com que esses elétrons se movam em direção ao polo positivo da bateria. Isso faz com que as placas fiquem com falta de elétrons (carga negativa) e excesso de prótons (carga positiva), resultando em uma carga positiva nas placas.
Após ser conectada ao polo negativo da bateria, a carga positiva na placa atrai os elétrons carregados negativamente no polo negativo da bateria, fazendo com que os elétrons se movam em direção à placa. Isso causa uma sobrecarga de elétrons na placa, fazendo com que ela fique negativamente carregada. O processo de movimentação 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 aumentar a carga elétrica em ambas as placas condutoras? Em outras palavras, o que deve ser feito para transferir elétrons entre o polo positivo e o polo negativo da bateria? O deslocamento 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 os dois condutores. Para que os elétrons voltem a se mover e a carga elétrica em cada placa condutora aumente, a bateria utilizada deve ser substituída por outra fonte de tensão com uma diferença de potencial elétrico maior. O deslocamento de elétrons cessa quando a diferença de potencial na fonte de tensão se iguala à diferença de potencial no capacitor. Portanto, se a diferença de potencial na fonte de tensão for maior, a diferença de potencial no 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 apresentada na seguinte comparação:
Q α V
As comparações acima são convertidas em equações adicionando-se a constante C:
Q = CV ou C = Q / V
Q = carga elétrica (Coulomb), V = diferença de potencial elétrico ou tensão (Volt), C = constante denominada capacitância do capacitor.
O valor da capacitância não depende da carga elétrica nem da tensão elétrica, 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 tópico do capacitor de placas paralelas. Nesse tópico, assume-se que existe vácuo entre os dois condutores.
A capacitância de um capacitor também depende da natureza do material que está entre as duas placas condutoras. Esse material entre as placas condutoras é chamado de dielétrico. A capacitância de capacitores com dielétricos é discutida em detalhes no tópico de constantes dielétricas.
Unidade de capacitância
A unidade de carga elétrica é o Coulomb e a unidade de diferença de potencial elétrico é o Volt, com base na equação da capacitância acima. A unidade de capacitância é Coulomb por Volt (C/V), também chamada de Farad (F), que deriva do nome do cientista britânico Michael Faraday (1791-1867). Portanto, 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Considere um capacitor com 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. As duas placas condutoras possuem uma diferença de potencial de 1 Volt. Se uma bateria de 12 Volts for conectada ao capacitor, uma das placas condutoras ficará com carga Q = CV = (2) (12 Volts) = +24 Coulombs, enquanto a outra placa condutora ficará com carga -24 Coulombs.
Note que o Farad é uma unidade de capacitância enorme, sendo geralmente utilizada em unidades menores, como o microfarad, abreviado como μF (10⁻⁶ Farad ) , ou o picofarad, abreviado como pF (10⁻¹² Farad ). Cálculos matemáticos que demonstram a magnitude do Farad são discutidos no tópico sobre capacitores de placas paralelas.
