Capacitores e Supercapacitores

Capacitores e Supercapacitores

Diego H. da Silva, Elisa Nagaoka, Fellype A. Nogueira, Ivan P. Faria,

Janaina C. Oliveira, João V. P. de Abreu, Marcelo C. Rennó.

Universidade Federal de Itajubá – Unifei, av. BPS, 1303 B. Pinheirinho, Itajubá-MG

Resumo  Este trabalho realiza um estudo a respeito de capacitores e supercapacitores, cuja finalidade é aprofundar o conhecimento no princípio de funcionamento, vantagens e desvantagens destes, e suas diversas aplicações. Para isto, são feitas algumas comparações entre estes e outros tipos de armazenadores de energia.

Palavras-chaves  Capacitores, Condensadores, Supercapacitores.

I. INTRODUÇÃO

Capacitor ou condensador, é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.

O capacitor se parece um pouco com uma bateria. Embora funcionem de maneira totalmente diferente, tanto os capacitores como as baterias armazenam energia elétrica. Uma bateria possui dois pólos. Dentro da bateria, reações químicas produzem elétrons em um pólo e absorvem elétrons no outro. O capacitor é um dispositivo muito mais simples, e não pode produzir novos elétrons (ele apenas os armazena).

Como a pilha, o capacitor possui dois terminais. Dentro do capacitor, os terminais conectam-se a duas placas metálicas separadas por um dielétrico. O dielétrico pode ser ar, papel, plástico ou qualquer outro material que não conduza eletricidade e impeça que as placas se toquem.

II. CAPACITORES

A. TIPOS DE CAPACITORES

A história dos capacitores começa em 1745 com a famosa experiência da garrafa de Leyden projetada por Pieter van Musschenbroek na Holanda. A experiência que conduziu à garrafa de Leyden era realizada com uma máquina eletrostática, um varão de ferro suspenso do teto na horizontal por fios de seda (isolante) e uma garrafa de vidro com água. A máquina era constituída por uma roda com manivela ligada por uma correia a um globo de vidro que podia rodar em torno de um eixo. Um dos experimentadores fazia rodar o globo através do acionamento da manivela. Um segundo experimentador assentava as mãos sobre o globo de vidro para produzir eletricidade por frição. Noutra parte do globo era estabelecido contato elétrico com o varão de ferro. Na outra extremidade deste varão, um terceiro experimentador segurava a garrafa de vidro com a mão direita, de forma que uma peça de latão ligada ao varão de ferro mergulhava na água. Do globo saltavam faíscas para o varão. O experimentador com a garrafa numa mão aproximava a outra mão do varão fazendo saltar faíscas do varão para a mão.

Figura 1 – Garrafa de Leyden.

A experiência ficou conhecida mas não compreendida. Nomeadamente, não se sabia quais as funções da água, do vidro e do experimentador que segurava na garrafa. Das experiências que se seguiram, concluiu-se que a água podia ser substituída por outra substância condutora.

Capacitores Planos

O inglês John Bevis (1695-1771) fez algumas modificações na experiência de Leyden e concluiu que a função do experimentador que segura na garrafa é ligar a garrafa à Terra. Por isso, resolveu envolver externamente a garrafa por uma folha de estanho. Continuando as pesquisas, Bevis concluiu que o importante da garrafa é o vidro (isolante) que se encontra entre dois condutores, no interior e no exterior da garrafa e não a sua forma. Por isso, colou duas folhas de estanho, uma de um lado e outra de outro, de um quadrado de vidro. Criou desta forma um novo capacitor, sem forma de garrafa e com uma forma mais próxima dos capacitores dos nossos dias. Para carregar o capacitor ligou uma das folhas de metal à terra e a outra a uma máquina eletrostática.

Capacitores de Ar

Mais tarde, em 1750, o professor alemão Franz Ulrich Theodor Aepinus fez experiências que o levaram à construção de um capacitor com dielétrico de ar. Colocou duas placas metálicas separadas por uma pequena distância de ar. Ligou uma placa à terra e a outra a uma máquina eletrostática e ao tocar simultaneamente as duas armaduras sentiu o "desejado" choque. "Desejado" porque confirmou a sua teoria de que o ar podia substituir o vidro.

Capacitores Atuais

Atualmente, os capacitores podem classificar-se em eletrostáticos e eletrolíticos. Os primeiros podem ser fixos ou variáveis. Os fixos podem ser de dielétrico de papel, de filme plástico, de cerâmica, de vidro, de mica. Os variáveis podem ser de dielétrico de ar, de filme plástico, cerâmicos.

B. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O princípio de funcionamento pode ser demonstrado através do seguinte circuito representado na figura 2:

Figura 2 – Circuito com bateria e capacitor.

Na figura 2 tem-se um capacitor (representado pelos dois segmentos de reta verticais e paralelos) conectado a uma pilha. São verificados os seguintes fenômenos:

• a placa do capacitor conectada ao terminal negativo da pilha aceita os elétrons que a pilha produz;

• a placa do capacitor conectada ao terminal positivo da pilha perde os elétrons para a pilha.

Depois de carregado, o capacitor possui a mesma tensão que a pilha. A capacidade de armazenamento de um capacitor é diretamente proporcional ao seu tamanho.

Na configuração mostrada na figura 2 é inserida uma lâmpada, obtendo-se o circuito da figura 3:

Figura 3– Circuito com bateria, capacitor e lâmpada.

Se o capacitor for grande, quando conectada a bateria, a lâmpada se acenderá à medida que a corrente flui da pilha para o capacitor e o carrega. A lâmpada diminuirá sua luminosidade progressivamente até finalmente apagar, assim que o capacitor atingir sua capacidade. Então a bateria poderá