Práticas para o Ensino de Física II - Aula 05 - Capacitores

[Música] Olá alunos ao longo desta aula nós vamos continuar falando né sobre Campos elétricos agora fala um pouco sobre energia eletrostática não e capacitores que são elementos do circuitos importantíssimos né Muito bem pra gente começar essa aula eu quero Recordar que entre os anos de 1745 e 1746 dois cientistas fizeram quase que ao mesmo tempo como se vê né uma descoberta interessantíssima e revolucionária para mim foi um dos grandes desenvolvimentos né da eletricidade né ou seja esses cientistas um deles era alemão o outro era Holandês que vivia numa cidade conhecida como laiden e por conta

disso esse dispositivo conhecido nos idos como a garrafa de leiden nãoé recebeu esse nome por conta então da cidade né mas essa descoberta foi muito importante porque aprendemos na realidade a armazenar cargas elétricas guardar cargas elétricas né Veja isso é é importantíssimo é claro que eles não tinham a noção né de que seria a carga elétrica elétr nada disso Isso veio depois né mas eles descobriram uma coisa curiosa né E também acho que eles descobriram o choque é claro que Numa tempestade as pessoas podem morrer por conta de um choque também né mas pelo menos

produzido em laboratório porque eles descobriram aquele instrumento era um pouco perigoso né encant estava em algumas partes dele o indivíduo dava pulos né choque choque elétrico né enfim eles descobriram então o choque elétrico e descobriram a garrafa de leiden aliás aqui entre nós eu gostei muito da garrafa do Cláudio né porque ele não quer deixar margem a nenhuma dúvida de que era uma garrafa mesmo que ele então então o Cláudio trouxe uma garrafa mesmo tá certo muito bem então agora a palavra está com ele né Uhum bom então e essa garrafa de li a gente

vai mostrar os detalhes de como a gente monta né que é é bem fácil de montar e a maneira de você carregar essa garrafa Então na verdade a gente não precisa de geradores de vegf ou vinur são mais caros né basta ter uma forma de de pizza né um cabo isolante e um forro de PVC qualquer coisa não tem nenhuma carga armazenada nele no momento né É no momento então eu vou carregar né o que eu vou fazer é esfregar bem aqui a o forro de PVC então eu tô eletrizando por atrito né E como

nós já Vimos a gente pode carregar por indução e aterramento Ok você tem carga agora aqui e vai passar a carga para lá a cada vez que você faz isso um pouco algumas cargas elétricas passam para lá não ISS Exatamente exatamente a gente pode até ouvir o barulhinho né do né onde a mas o número de elétrons que se transfere de cada vez né é acima de bilhões na verdade né é uma coisa curiosa isso porque a gente nunca se dá conta né você vai transportando né o transferindo o elétron né Daqui pra garrafa né

E ela tá armazenando as caras cada vez você passa mais elétrons para lá isso e o ideal é que você tenha aqui uma lâmina aqui de papel de alumínio papel de cozinha mesmo de de alimentos você coloca aqui que segure né então quando você aterra você aumenta a quantidade de car para você não descarregá-lo senão você é na verdade é para você aumentar a quantidade de cargas induzidas Então você aumenta né a Faísca e aumenta então a quantidade de cargas do que simplesmente você deixar assim né Assim você veja que a Faísca é bem Menorzinha

né quando você segura por causa do aterramento você aumenta a indução aumenta a quantidade de cargas que você pode uhum é armazenar a cada viagem bilhões bilhões exatamente bom então agora pra mostrar como é que a gente pode mostrar uma descarga né E como é que você pode e produzir uma corrente elétrica através de um circuito usando essas cargas né então vamos passar de carga estática para carga dinâmica uma corrente elétrica então para isso o ideal é que a gente chame aí e dois duas pessoas da produção dois colegas e a gente vai fazer então

um circuito em série eu também vou participar Então vamos D as mãos J também ok também um grande ISO lá então aqui o juil pode chegar mais perto Ok então o seguinte é nós estamos fazendo então uma corrente né tá então vou contar você pode levantar o braço aí Ju uhum né então vou contar até três né um não é nada pequeno esse cho não Cláudio Nossa impressionante foi obrigado então pela ol é quase que o um é um choque significativo esse hein sim sim choque né de cur temp para demonstrar né que exatamente Realmente

você armazenou uma quantidade enorme de cargas né então quando você fechou o circuito digamos assim né nós tivemos a passag de uma corrente elétrica ex forte na verdade não estava esperando tão forte não é e ainda se você segurar ainda continua um pouco carregada por causa da da água né que ela polariza né então agora eu vou mostrar como é que como é que é feito né É como fun né então isso aqui é um puxador de de gaveta de armário né então ela é de metal isso aqui você pode comprar em casas de material

de construção né ah é fácil fazer então fácil muito fácil aqui na tampa a gente colocou aqui um parafuso aham aham transpassou esse parafuso e aqui na rosca do do parafuso é que você conecta aqui o puad e tem que ser condutor também tem que ser condutor aqui pode ser qualquer coisa né um arame um cobre uma corrente qualquer coisa tá a carga Então vai passar pelo condutor exatamente a garrafa de li original ele usava uma correntinha aqui né e não era de PL já vi fotos é fosa e era de de vidro né a

invés de hoje em dia não precisa ser vidro porque você tem materiais muito mais eh isolantes né os bons de elétricos e bem bem baratos quer dizer é lixo isso aqui né então o de elétrico a parte isolante na verdade é a casca aqui é é a garrafa é o plástico da grafa sim uhum a água ele está servindo aqui como um condutor né inclusive se você colocar sal por exemplo na água melhora ainda mais a condutividade né então o dielétrico na verdade agora o isolante é a a garrafa é o plástico né e a

água e isso daqui que é o fio do condutor isso aqui tudo está no mesmo potencial então a garrafa é o isolante isso daqui vai estar no potencial terra né isso aqui potencial zero e lá dentro Eu vou armazenando cargas né tanto a água como todos esses metais aqui tá então o funcionamento da garrafa é muito simples né e fácil de de montar é simples sim e dependendo da quantidade de pessoas você pode dar choque né até 100 200 pessoas Num circuito em série Lógico que aí você tem que carregar um pouco mais ok então

como vimos né o cientista o alemão né e Holandês descobriram a garrafa e Cho a garrafa de leiden evoluiu com o tempo se transformou num elemento importante né do circuito ou dos circuitos né conhecido como capacitor né o fato é que hoje temos uma profusão de capacitores né o Cláudio daqui a pouco vai mostrar isto né o fato é que o capacitor é importante porque ele desempenha o mesmo papel que a garrafa de leiden ou seja você pode armazenar cargas elétricas né Essa é a grande vantagem do capacitor né nas suas armaduras no tempo que

a gente falava em armaduras CL e porque no no meu tempo de estudante né a gente chamava isso de Armadura o Claud já vai ilustrar aqui o conceito né mas o fato é que os capacitores têm essa função Num num um circuito né qual seja armazenar cargas elétricas né De vez em quando ele pode descarregar né quando você tira por exemplo uma foto né com aquelas lâmpadas ali uma descarga né que dura um tempo curto né enfim você pode fazer uso das cargas né quando for conveniente né você descarrega o capacitor né agora eh o

que é mais importante eu sempre digo isso né é a questão de armazenar energia né porque olhando assim como um todo né você eh percebe que o capacitor tem essa capacidade de armazenar cargas e armazenar energia as cargas com elas geram-se Campos né e onde existe Campo você tem energia elétrica nesse caso nesse caso aqui só energia elétrica né que está armazenada na forma de Campos Então vamos lá o Cláudio achou uma peça aqui que é fantástica isso não existe mais hoje mas olha só que beleza né coisa antiga uhum Esse é um capacitor de

placas então a capacitância se ocorre na na nas placas paralelas né aqui eu tenho uma série delas aqui aham e O interessante é que você pode pode variar a área de uma de frente pra outra aham Então você muda a capacitância né Aham quanto maior a superfície né É só um instantinho a capacitância ou capacidade Às vezes a gente usa também né É É ela é uma medida de quanto de energia você consegue armazenar né para um valor fixo da carga elétrica quanto maior for a capacidade maior energia armazenada é isso N é isso exatamente

bom eh aqui eu tenho então capacitor variável né aqui dá para ver bem Como é que é que funciona isso né são placas paralelas planas né e na qual você vai variando a a área então a gente pode até medir ah usada antigamente nos rádios né Ah sim ex para você sintonizar a estação que você quer você utilizava isso nos rádios antigos exatamente né você mudava né a no circuito rlc né mudava-se a ressonância né Uhum Então você podia sintonizar diversas frequências a estação mudando-se né a capacitância bom então a gente pode ligar aqui o

multímetro na escala de nanofarad né que é uma n é 10 a-9 de FAD e aqui a gente vai ligar nessa nos terminais aqui do capacitor e a gente pode observar aqui aqui né olha é 0,28 nanofarad Uhum Então conforme eu vou aumentando a superfíci n 30 40 vai aumentando né aumentando porque você tá aumentando a área a superfície né isso e aqui então praticamente Nossa é um é um fator significativo né então eu vou aumentando a capacitância aumentando a superfície né de uma de frente paraa outra e aqui vários tipos de capacitores que a

gente encontra hoje em dia né Uhum Então temos aqui um capacitor eletrolítico né Tem um capacitor de poliéster capacitor cerâmico capacitor a óleo capacitor de tântalo e aqui um capacitor SMD né que é o Surface Mount device quer dizer é um capacitor que você pode montar na superfície das placas de cicit impresso né Elas são bem bem pequenininhos então a tecnologia mas basicamente eh o funcionamento dessas desses capacitores é esse né você tem aqui placas uhum condutoras eh E no meio delas você coloca um dielétrico né um isolante Ah isso é um papel importante né

do dielétrico né exatamente então é aqui eu tenho parecido com rocambole né quer dizer você vai enrolando a placa de alumínio que ele se descarregue não é isso Cláudio o di elétrico n pra ter examente um isolante no meio das duas questão de diminuir a rigidez di elétrica na realidade exatamente então quanto maior a superfície né e Menor for a a a espessura do dia elétrico maior será a capacitância né E aqui por fim a gente tem hoje em dia os super capacitores né que logo logo nós vamos fazer uma demonstração com ele Uhum Então

era aí 200 farad né 200 FAD era comum se dizer que capacitor de um FAD seria praticamente impossível de se obter porque a o tamanho desse capacitor seria do tamanho da sala né antigamente Seme se falava isso né que farad era uma capacitância muito muito grande e hoje com a nanotecnologia você obtém até 200 FAD tem uma capacitância muito grande esse sim já é usado para armazenar energia né para naem substituição as baterias anterior estamos falando de pico fades na verdade né olha só que diferença n 200 fades Exatamente exatamente uma capacitância muito muito maior

a principal característica de um capacitor é essa de armazenar energia né então o Cláudio já vai demonstrar isto né Essa é a a função de um capacitor num circuito elétrico né agora eu quero chamar atenção Para uma propriedade né do capacitor né que é conhecida como capacitância ou capacidade né o capacitor também é conhecido como condensador às vezes né também se usa né então pra mesma diferença de potencial eu quero me corrigir em relação ao que eu disse antes inclusive mas paraa mesma diferença de potencial a energia armazenada é proporcional à capacidade do capacitor porque

eh essa questão é importante né pra mesma diferença de potencial a energia proporcional a capacidade a capacidade de um capacitor como o nome bem indica né ou a capacitância como o nome bem indica é uma característica exclusiva do capacitor né Ela depende da forma geométrica do capacitor né Eh Ela depende por exemplo se você tem ou não de elétrico inserido no capacitor então cálculo da capacidade ou da capacitância já é uma coisa um pouco mais complicada mas ela envolve a geometria do capacitor né do dielétrico que você coloca no capacitor né e assim por diante

uhum de forma que o que o Cláudio agora vai demonstrar é que um capacitor armazena energia e essa energia pode ser utilizada para movimentar alguma coisa é isso que você vai demonstrar nisso Ok então vamos lá então para isso a gente vai usar aqui o super capacitor né que é diferente da nossa garrafa de leiden a gente acumulou energia Mas a quantidade de energia que havia lá não é muito grande é muito pequeno um choque aí de milésimo de segundo né já descarregou o nosso capacitor agora aqui não aqui é um capacitor com uma capacitância

uma capacidade de armazenar energia muito maior né tenho 200 sim 200 coubes por vol né quer dizer uma capacidade um super capacitor mesmo exatamente então ele é constituído não é não é parecido com nada parecido com aqueles que a gente viu daquela na aula passada né Ele é é um capacitor que usa uma tecnologia nanotecnologia então ele usa nanotubos de grafeno Nossa então a capacidade de de área de superfície né Ele é muito muito grande por causa disso são nanotubos né são nano eh estruturas de grafeno né estruturas de carbono Então dessa forma você consegue

capacitâncias muito muito altas Então antes deixa eu mostrar como é que eu vou carregar esse capacitor né V mostrar que ele tá descarregado a gente pode ligar aqui você vê que praticamente não se move né então ele tá descarregado e para carregar eu vou usar esse geradorzinho aqui n a manivela ele pode ligar um led e eu coloquei aqui uns terminais né pra gente poder ligar que no momento ele não tem carga elétrica ele está descarregado ótimo isso e agora vou mostrar e o gerador né esse gerador Então agora eu tô ligando um um ventiladorzinho

né o radinho né e o radinho aqui tá sem pilha certo então o gerador agora estão ligando aqui é um mini gerador aí né minad né ess mecânico na verdade compra em lojas de acampamento produtos transforma energia mecânica em El é em luz né energia mecânica e aqui em som né e o radinho também funciona funciona também bom Agora vou então ligar o gerador aqui no super capacitor para armazenar essa energia mecânica ah elétrica e el então energia potencial elétrica né no capacitor então agora vou aos poucos é Aquelas mesmas cargas que fluíam por aqui

elas são agora armazenadas essa que a diferença n essa aqui é a diferença Exatamente porque a função na realidade né do capacitor é justamente acumular cargas né Essa é a função dele você está fazendo é acionando cargas elétricas a ele através da energia elétrica e ele armazena Então as cargas e consequentemente também armazena a energia elétrica né isso lógico que eu não vou carregar ele completamente né porque eu teria que ficar mais tempo aqui né mas isso aqui já deve ser o suficiente para ligar esse ventiladorzinho então ele fica olha durante horas assim porque a

tensão aqui não é alta se eu tivesse se eu quisesse aumentar a tensão a voltagem ali que ficar mais tempo armazenando cargas mas essa quantidade já é suficiente para ficar horas aí então as cargas elétricas agora estão se movimentando né Aham Porque são acumuladas aqui e agora elas são colocadas em movimento exatamente até descarregar novamente isso aí tem uma corrente elétrica Quanto tempo você disse ah assim com essa carga que eu dei deve ficar horas aí é mesmo tudo isso mas ele vai ficar rodando devagarinho né porque a tensão é baixando cargas você aindaa tendo

cargas elétricas l fantstico porque a capacidade é muito grande a capacitância a capacidade é muito grande agora se pode prever né que depois de algum tempo ele simplesmente V sim sim sim des vai descarregar descarregar até ele parar aí acabaram as muito bom achei interessante citores são elementos importantíssimos em circuitos de corrente alternada n um dos mais interessantes né é o circuito rlc né Por Exemplo né o fato é que nós dispomos esses elementos né ao longo de um circuito e formando um caminho fechado né muitas vezes nós queremos determinar o que chamamos de capacitor

equivalente né então quando colocamos em série porque temos duas formas de arranjar capacitores né o nosso interesse é o de determinar aquele capacitor que tem uma capacidade equivalente à aquele conjunto né então nós vamos começar aqui né Cláudio pelos capacitores em série é isso que você planejou né então vamos ver vamos depois vamos escrever uma expressão né aliás vamos escrever n vamos falar de uma expressão paraa capacidade equivalente uhum bom aqui então eu tenho dois capacitores iguais né E aqui o multímetro digital que a gente pode medir capacitância Então hoje em dia os multímetros têm

uma série de funções né né então ele pode medir tensão corrente resistência capacitância indutância né temperatura então ele tem multifunções bom aqui eu tenho um uma escala de nanofarad né e eu vou medir a capacitância desse capacitor aqui ok desse é de um só né É então vamos mudar de escala né porque a capacitância dele é um pouco maior é microfarad então então eu tenho aqui 0 V ou P 236 microfarad ou 236 nanofarad Ok ou seja 0,236 microf Então esse daqui seria o primeiro capacitor eu vou anexar e agora você vai colocá-lo Num circuito

Num circuito aqui e um segundo capacitor né que eh é é o mesmo fabricante é tudo igual mas eu vou ver se a capacitância é a mesma então 02 36 né mesma coisa então capacitância é praticamente a mesma igis nesse caso então agora vamos colocar o circuito em série colocando os dois capacitores conectados aqui então em série então vamos ver qual é a capacitância equivalente né capacidade equivalente então aqui e aqui virou 0 não por acaso deu exatamente a metade né metade né metade por conta daquela fórmula né Eh na verdade a situação é a

oposta dos resistores aqui um sobre c é igual a 1 sobre C1 mais um sobre C2 né se é a capacidade equivalente C1 a capacidade de um C2 a capacidade do outro acabamos de verificar isso agora aqui explicitamente no entanto nós podemos também ter um arranjo de capacitores onde nós colocamos os capacitores em paralelo o Cláudio já vai explicar né O que que é colocar em paralelo né capacitores né mas de qualquer maneira a teoria prevê que a capacidade do capacitor equivalente a esses dois por exemplo né Se for n é uma soma de n

né n termos né então a capacidade equivalente né Desse capacitor né é igual à soma das capacidades então c é igual a C1 + C2 se tiver n c é igual C1 + C2 + C3 mais mais mais mais CN né E é isso que a gente então vai ver agora não issc isso então agora circuito em paralelo Então vai ser um do lado aqui do outro né um paralelo ao outro e eu vou ter que fechar o circuito né colocando aqui esses fios para deixar os dois no mesmo potencial aqui os terminais aqui no

mesmo potencial Então vamos ligar aqui fazer primeiro colocar aqui vamos fazer primeiro aqui em cima OK agora aqui embaixo aqui e agora desse lado também ele está na verdade se assegurando né CL que é a mesma diferença de potencial né É aqui não há diferença potencial né quando você faz isso né É porque essa é a característica né exatamente ele não tem praticamente resistência nenhuma né então ele estaria no mesmo potencial então aqui deixa eu pronto então aqui um capacitor em paralelo com o outro dois capacitores em paralelo Ok exatamente potencial aqui é o mesmo

daqui potencial aqui é o mesmo daqui então se eu medir por aqui ou por aqui ou por aqui dá na mesma né então qualquer um desses pontos aqui tá no mesmo potencial Então vamos medir agora a capacitância equivalente então era 0,236 cada um deles né e a capacitância equivalente é 0,471 né quer dier é o dobro né da capacidade ou desse ou daquele porque na verdade tem capacidades iguais né então praticamente a gente tá conferindo né O que a teoria prevê né mas é isto né isso OK eu gosto dessa experiência que o Cláudio vai

fazer porque o arranjo é simples né Uhum e ilustra bem o conceito é o capacitor plano né às vezes também a gente usa capacitor de placas paralelas porque é assim que ele vai dispor né E olha só o Cláudio montou um capacitor é claro que na casa dele ficou com duas panelinhas né de fazer pizza a menos né porque ele levou lá pro Instituto de Física para fazer n Mas é só para mostrar que é um material bem simples mesmo e olha só o que o Cláudio está sugerindo né Você pode montar um capacitor de

placas paralelas de uma maneira simples e para demonstrar isso pros seus estudantes né Essa é a grande contribuição Então vamos lá Cláudia capacitor de placas paralelas tá então duas formas de pizza aqui eu coloquei conexões de PVC que a pessoa pode fazer de outra forma né O importante é que Ah e outra a gente colocou aqui uma película isolante é um plástico é transparente né só para dar uma isolação aqui né fazer uma isolação então aqui eu vou colocar essa placa aqui né encaixada aí já tem uma armadura de uma placa do capacitor né sim

do outro lado a mesma coisa só que desse outro lado eu coloquei um um cano de PVC que pode deslizar aqui aham e aqui então vamos encaixar Então você vai alterar a distância entre eles não é isso porque é um outro elemento aí importante da geometria né geometria exatamente né Essa Então você tem um capacitor aí que também é tem uma capacidade variável né em função da distância muito legal a essa é boa muito boa diferente daquele primeiro capacitor né que você mudava a superfície né aqui em vez de mudar a superfície eu tô mudando

a distância né Uhum Então para medir a capacitância a gente usa um multímetro digital a capacitância aqui é muito pequena né porque a área comparativamente né não é muito grande né e a distância também a gente não pode aumentar muito né então Tom na escala de nanofarad e aqui nesse com ele bem encostadinho tá dando 0,39 040 040 NAN e aí quando você começa a a gente percebe que a capacitância vai caindo né agora tá 013 ah 0 12 011 nanofarad até aqui mais ou menos 0,8 0,08 NAN e conforme eu aproximo as placas a

capacitância vai aumentando né Agora chegou a 04 6 né 04 36 nano nanofarad então é uma maneira de ilustrar Ok capacitância agora na experiência Você não pode encostar as duas placas né porque se você Ah sim nesse caso e eu eu eu eu até posso encostar por causa que tem um pequeno dia elétrico ali aquele filme né de plástico que eu colei então eu isolei né então tem que colocar esse filinho plástico né para segurar que quando você grude ela não fi no mesmo potencial né aham muito bem é de fácil construção né a dificuldade

na verdade é multímetro né você aluma coisa que Messa a capacidade né mas o fato é que você tem cargas elétricas né distribuídas aqui é isso que é importante e cargas elétricas distribuídas lá né então você tem cargas aqui e cargas do outro lado na superfície interna né dos dois na realidade né Ok o que acontece quando nós colocamos um dielétrico entre as placas de um capacitor né É isso que o cio vai agora fazer essa experiência né agora assim que se terminar a gente vai comentar um pouco né sobre o que que está acontecendo

na verdade né A questão das cargas de polarização Hum porque na verdade o que acontece é que quando você coloca ele enfraquece o campo elétrico se enfraquece né então vamos lá vamos primeiro fazer a experiência depois a gente comenta um pouco tá então aqui eu vou ligar novamente o nosso multímetro ele tá funcionando como um capacímetro né para medir capacitância na escala aqui de nanofarad e a gente vi que Conforme você varia a distância varia a capacitância então vou deixar ela numa numa certa distância né suficiente para que entre aqui uma placa de vidro tá

uma placa de vidro Então vamos ver 0,13 a capacitância agora e conforme eu introduzo aqui o vidro no capacitor veja que a capacitância foi para 0,23 de quanto ficou reduzido aí então a capacitância aumentou né a capacitância aumentou ok aqui retirando ele vai para 0,13 tá reduziu-se então para 0,13 Ok isso e aqui agora Aumentou a capacitância né que você introduz um de elétrico 0,26 quase o dobro né praticamente dobrou a capacitância se fosse um placa de um outro material aconteceria algo semelhante mas com intensidades Diferentes né agora o que a gente precisa aqui chamar

atenção n é eh para o fato de que quando você coloca um di elétrico aqui se aqui tem cargas positivas né Aí se forma uma distribuição de cargas de polarização né de sinal negativo negativo do outro lado é o contrário né se cargas negativas você tem então a formação de uma distribuição de cargas positiv isso por outro lado né enfraquece o campo elétrico é isso que eh a gente quer chamar atenção né simplesmente por tudo se passa como se você tivesse isso do ponto de vista do campo elétrico né Uhum Como se você tivesse uma

distribuição de carga Sigma né associado a essa primeira armadura uhum menos Sigma Então você tem o quê uma densidade de cargas menor do que a densidade de cargas sem o de elétrico né então é por isso que enfraquece o o campo elétrico né e do outro lado acontece a mesma coisa né então eh eh esse efeito né que está sendo observado aqui na realidade é porque a capacitância a capacidade depende né hum do meio de elétric nãoé [Música] [Música] he [Música] [Música]