08-Eletricidade Básica

08-Eletricidade Básica

Daí, a reatância total no circuito ilustrado na figura 8-174 ser igual à soma das reatâncias individuais.

A reatância total de indutores conectados em paralelo (figura 8-175) é encontrada do mesmo modo que a resistência total num circuito em paralelo. Daí a reatância total de indutâncias conectadas em paralelo, conforme mostrado, ser expressa assim:

(X

=

1

( X

1

L

)

1

+

(

1

X

L

)

2

+

( X

1

L

)

3

Figura 8-175 Indutância em paralelo.

CAPACITÂNCIA

Uma outra importante propriedade em circuitos de C.A., a par da resistência e indutância é a capacitância. Enquanto a indutância é representada num circuito por uma bobina, a capacitância é representada por um capacitor.

Quaisquer dois condutores, separados por um não-condutor (chamado dielétrico), constituem um capacitor. Num circuito elétrico, um capacitor serve como reservatório de eletricidade.

Quando um capacitor é conectado através de uma fonte de corrente contínua, com uma bateria de acumuladores (circuito mostrado na figura 8-176) e a chave é então fechada, a placa marcada com “B” torna-se positivamente carregada e a placa “A” negativamente carregada.

Figura 8-176 Capacitor em um circuito de CC.

A corrente flui no circuito externo durante o tempo que os elétrons estão se movendo de “B” para “A”. O fluxo de corrente no circuito

é máximo no momento em que a chave é fechada, mas diminui continuamente, até alcançar zero.

A corrente torna-se zero assim que a diferença de voltagem de “A” e “B” torna-se igual a voltagem da bateria. Se a chave for aberta, as placas permanecem carregadas. Entretanto, o capacitor descarrega-se rapidamente, se colocado em “curto”.

A quantidade de eletricidade que um capacitor pode acumular depende de vários fatores, incluindo o tipo de material do dielétrico. É diretamente proporcional à área da placa, e inversamente proporcional à distância entre as placas.

Na figura 8-177, duas chapas planas de metal são colocadas próximo uma da outra (mas não se tocando). Normalmente elas são eletricamente neutras, isto é, não há evidência de carga elétrica em ambas as placas.

Figura 8-177 Circuito de um capacitor (condensador) básico.

No momento em que a chave é fechada na posição “bateria”, o medidor mostrará uma certa corrente fluindo numa direção, mas quase que, instantaneamente, retornará a zero.

Se a bateria for retirada do circuito e a chave for fechada na posição capacitor, o medidor mostrará uma corrente momentânea, mas em sentido contrário à anterior. Esta experiência demonstra que as duas placas acumulam energia, quando conectadas a uma fonte de voltagem, e liberam energia quando colocadas em “curto”.

As duas chapas formam um capacitor simples, ou condensador e possuem a capacidade de acumular energia. A energia é realmente estocada no campo elétrico, ou dielétrico, entre as placas.

Também deve estar claro que durante o tempo em que o capacitor está sendo carregado ou descarregado, há corrente no circuito, embo-

8-79

ra o circuito esteja interrompido pelo intervalo entre as placas do capacitor. Entretanto, existe corrente somente enquanto ocorre carga e descarga, e este período de tempo é muito curto.

Não pode ocorrer nenhum movimento ininterrupto de corrente contínua através de um capacitor. Um capacitor bom bloqueará a corrente contínua (não a C.C. pulsativa) e permitirá a passagem dos efeitos da corrente alternada.

A carga de eletricidade que pode ser colocada num capacitor é proporcional à voltagem aplicada e à capacitância do capacitor

(condensador). A capacitância depende da área total das placas, da espessura do dielétrico e da composição do dielétrico.

Se uma folha fina de baquelite (preenchida com mica) for substituída por ar entre as placas de um capacitor, por exemplo, a capacitância será aumentada cerca de cinco vezes.

Qualquer carga produzida por voltagem aplicada e mantida no limite por um isolador

(dielétrico) cria um campo dielétrico.

Uma vez que o campo seja criado, tende a opor-se a qualquer mudança de voltagem que poderia afetar sua situação original. Todos os circuitos possuem alguma capacitância, mas a menos que possuam algum capacitor, ela é desconsiderada.

Dois condutores, chamados eletrodos ou placas, separados por um não-condutor (dielétrico) formam um capacitor simples. As placas podem ser feitas de cobre, de estanho ou de alumínio. Freqüentemente elas são feitas de folha

(metais comprimidos em finas folhas capazes de serem enroladas).

O dielétrico pode ser ar, vidro, mica, ou eletrólito, feito de uma película de óxido, mas o tipo usado determinará o total da voltagem que pode ser aplicada e a quantidade de energia que pode ser acumulada.

Os materiais dielétricos têm estruturas atômicas diferentes e apresentam quantidades diferentes de átomos para o campo eletrostático.

Todos os materiais dielétricos são comparados ao vácuo e recebem uma classificação numérica de valor de acordo com a razão de capacidade entre eles.

O número atribuído a um material é baseado na mesma área e espessura em relação ao vácuo

Os números usados para expressar essa razão são chamados constantes dielétricas, e são representados pela letra “K”. A tabela na figura

8-178 apresenta o valor de “K” para alguns materiais usados.

Material K (Constante dielétrica)

Ar 1.0

Resina 2.5

Papel de amianto

Borracha dura

2.7

2.8

Papel seco 3.5

Isolantita 3.5

Vidro comum 4.2

Quartzo 4.5

Mica 4.5 a 7.5

Porcelana 5.5

Vidro cristal

Vidro ótico

7.0

7.9

Figura 8-178 Constantes Dielétricas.

Se uma fonte de corrente contínua é substituída por bateria, o capacitor atua um pouco diferente do que ocorre com corrente contínua.

Quando é usada a corrente alternada num circuito (figura 8-179), a carga das placas modifica-se constantemente. Isto significa que a eletricidade deve fluir primeiro de “Y”, no sentido horário, para “X”, depois, de “X”, no sentido anti-horário, para “Y”, depois, de “Y”, no sentido horário, para “X”, e assim por diante.

Figura 8-179 Capacitor num Circuito CA.

Embora nenhuma corrente flua através do isolador entre as placas do capacitor, ela flui constantemente no restante do circuito, entre

“X” e “Y”.

Num circuito em que existe somente capacitância, a corrente precede a voltagem, ao passo que num circuito onde exista somente indutância, a corrente retarda-se frente a voltagem.

A unidade de medida de capacitância é o farad, para o qual o símbolo é a letra “f”. O fa-

8-80

rad é muito grande para uso prático e a unidade geralmente usada é o microfarad (

µf), um milionésimo do farad, e o micro-microfarad (

µµf), um micronésimo do microfarad.

Tipos de capacitores

Os capacitores podem ser divididos em dois grupos: fixos e variáveis. Os capacitores fixos que têm, aproximadamente, capacitância constante, podem ser divididos de acordo com o tipo de dielétrico usado nas seguintes classes: papel, óleo, mica e capacitores eletrolíticos. Os capacitores de cerâmica são também usados em alguns circuitos.

Quando conectando capacitores eletrolíticos num circuito, a correta polaridade tem que ser observada. Capacitores de papel podem ter um terminal marcado “ground” (terra), significando que este terminal está ligado à folha externa. Normalmente, a polaridade não tem que ser observada em capacitores de papel, óleo, mica ou cerâmica.

Capacitores de papel

As placas dos capacitores de papel são tiras de folha de metal, separadas por papel encerado (figura 8-180). A capacitância dos capacitores de papel está na faixa de 200

µµf a alguns

µf. As tiras de folha e as de papel são enroladas juntas, para formar um cartucho cilíndrico, que é então selado com cera para afastar a umidade e prevenir corrosão e vazamento. para vários capacitores incluídos, mas quando não é um terminal, a capa serve como uma blindagem contra interferência elétrica (figura 8-

181).

Figura 8-181 Capacitor de papel tipo banheira.

Capacitores a óleo

Em transmissores de radar e rádio, altas voltagens, suficientes para causar centelhamento ou ruptura em dielétricos de papel, são muitas vezes empregadas.

Conseqüentemente, nestas aplicações, capacitores que usam óleo ou papel impregnado com óleo, como material dielétrico são preferidos.

Os capacitores deste tipo são consideravelmente mais caros do que os capacitores comuns de papel e o seu uso é, em geral, restrito a equipamentos de transmissão de rádio e radar.

Figura 8-180 Capacitor de papel.

Duas pontas de metal são soldadas às placas. Cada uma estendendo-se para cada lado do cilindro. O conjunto é incluído tanto numa cobertura de papelão quanto numa capa de plástico moldado duro (uma ou outra).

Os capacitores tipo banheira “bathtub” são capacitores de papel em cartuchos hermeticamente fechados em capas metálicas. A capa freqüentemente serve como um terminal comum

Figura 8-182 Capacitor de óleo

Capacitores de mica

O capacitor fixo de mica é feito de placas de folha de metal, que são separadas por folhas de mica formando o dielétrico. O conjunto inteiro é coberto com plástico moldado, que evita a umidade.

8-81

Figura 8-183 Capacitores de mica.

A mica é um excelente dielétrico que suporta maiores voltagens do que o papel, sem permitir centelhamento entre as placas. Os valores normais dos capacitores de mica variam de aproximadamente 50

µµf a cerca de 0.02 µf.

Capacitores de mica são mostrados na figura 8-

183

.

Capacitores eletrolíticos

Para capacitâncias maiores do que alguns microfarads, as áreas das placas dos capacitores de mica ou papel precisam se tornar muito grandes.

Então, neste caso, normalmente são empregados capacitores eletrolíticos, que permitem grandes capacitâncias em pequenos tamanhos físicos. Sua faixa de valores abrange de 1 a cerca de 1.500 microfarads. Diferentemente dos outros tipos, os capacitores eletrolíticos são geralmente polarizados e podem ser submetidos apenas à voltagem contínua ou voltagem contínua pulsativa, embora um tipo especial de capacitor eletrolítico seja feito para uso em motores.

O capacitor eletrolítico é amplamente utilizado em circuitos eletrônicos e consiste em duas placas de metal, separadas por um eletrólito. O eletrólito em contato com o terminal negativo, tanto na forma líquida ou pastosa, inclui o terminal negativo.

O dielétrico é uma película de óxido extremamente fina depositada sobre o eletrodo positivo do capacitor. O eletrodo positivo é uma folha de alumínio dobrada para obtenção de máxima área.

O capacitor é submetido a processo de modelagem durante a fabricação, quando uma corrente é passada através dele. O fluxo de corrente resulta no depósito de fina cobertura de

óxido sobre a placa de alumínio.

O espaço justo dos eletrodos positivo e negativo aumenta relativamente o alto valor de capacitância, mas permite maior possibilidade de interrupção de voltagem e vazamento de elétrons de um eletrodo para o outro.

Dois tipos de capacitores eletrolíticos são usados: (1) eletrolítico úmido; e (2) eletrolítico seco. No primeiro, o eletrólito é um líquido e o invólucro deve ser à prova de vazamento.

Este tipo deve sempre ser montado na posição vertical.

O eletrólito do eletrolítico seco é uma pasta num separador feito de um material absorvente como gaze ou papel. O separador nãosomente conserva o eletrólito no lugar mas também previne possibilidade de “curto-circuito” entre as placas. Capacitores eletrolíticos secos são feitos tanto na forma cilíndrica quanto retangular, e podem ser cobertos com papelão ou metal. Já que o eletrólito não pode derramar, os capacitores secos podem ser montados em qualquer posição conveniente. Capacitores eletrolíticos são mostrados na figura 8-184.

Figura 8-184 Capacitores eletrolíticos.

Capacitores em paralelo e em série

Os capacitores podem ser combinados em paralelo ou em série, para dar valores equivalentes, que podem ser tanto a soma dos valores individuais (em paralelo) ou um valor menor do que a menor capacitância (em série). A figura 8-185 mostra as ligações em série e em paralelo.

8-82

Figura 8-185 Capacitores em paralelo e em série.

As duas unidades usadas em medição da capacitância são o farad e o coulomb. Conforme definido anteriormente, o farad é quantidade de capacitância presente num capacitor, quando um coulomb de energia elétrica é acumulada nas placas, e um volt é aplicado através do capacitor. Um coulomb é a carga elétrica de 6,28 bilhões de bilhões de elétrons. Disto, conclui-se que:

C (em farads) = Q (em coulombs )

E ( em volts )

Em “A” da figura 8-185, a voltagem,

“E”, é a mesma para todos os capacitores. A

Q

1

, Q

2

e Q

3

.

Usando a equação básica para o capacitor,

C = Q

E

A carga total é Q t

= C t

x E, onde C t

é a capacitância total. Já que a carga total dos capacitores em paralelo é a soma das cargas individuais dos capacitores,

Q t

= Q

1

+ Q

2

+ Q

3

Usando ambas as equações para a carga total, desenvolve-se a equação

C t

E = C

1

E + C

2

E + C

3

E

Dividindo-se ambos os termos da equa-

ção por E, dá-se

C t

= C

1

+ C

2

+ C

3

Esta fórmula é usada para determinar a capacitância total, para qualquer número de capacitores em paralelo.

Na arrumação em série, (B da figura 8-

185), a corrente é a mesma em todas as partes do circuito. Cada capacitor desenvolve uma voltagem durante a carga, e a soma das voltagens de todos os capacitores tem que ser igual à voltagem aplicada, E.

Por meio da equação para capacitor, a voltagem aplicada, E, é igual à carga total dividida pela capacitância total, ou

E =

Q t

C t

A carga total, Q t

, é igual à carga em qualquer dos capacitores, porque a mesma corrente flui em todos pelo mesmo intervalo de tempo e porque a carga é igual à corrente vezes o tempo em segundos (Q t

= I x t).

Por isso, Q t =

Q

1

+ Q

2

+ Q

3 e, uma vez que em um circuito com capacitores em série

C k

= C

1

+ C

2

+ C

3

, onde E

1 tores.

, E

2

, E

3

são as voltagens dos três capaci-

Então,

Q t

=

Q

C t

1

+

Q

C t

2

+

Q

C

3 t

C t

Dividindo a equação por Q t

, temos

8-83

1

=

1

+

1

+

1

C t

C

1

C

2

C

3

A recíproca da capacitância total de qualquer número de capacitores em série é igual

à soma dos recíprocos valores individuais. Os capacitores em paralelo combinam-se por uma regra semelhante à usada na combinação de resistores em série.

Os capacitores em série combinam-se por uma regra semelhante da combinação de resistores em paralelo. No arranjo de dois capacitores em série, C

1 dada pela equação:

, C

2

, a capacidade total é

C t

=

C

1

+

C

2

Classificação de voltagem dos capacitores

Na seleção ou substituição de um capacitor para uso em um circuito em particular, o seguinte deve ser considerado: (1) o valor da capacitância desejada; e (2) a voltagem à qual o capacitor será submetido.

Se a voltagem aplicada às placas for alta demais, o dielétrico romper-se-á, e ocorrerá o centelhamento entre as placas. O capacitor é então “colocado em curto”, e o possível fluxo de corrente poderá causar danos a outras partes do equipamento. Os capacitores possuem uma classificação de voltagem que não deve ser excedida.

A voltagem de trabalho do capacitor é a voltagem máxima que pode ser aplicada sem risco de centelhamento. A voltagem de trabalho depende (1) do tipo de material empregado como dielétrico; e (2) da espessura de dielétrico.

A voltagem é um fator a ser considerado na determinação de capacitância, porque a capacitância diminui à medida que a espessura do dielétrico aumenta.

Um capacitor de alta voltagem, que possui um dielétrico espesso precisa ter uma área de placa maior, de forma a manter a mesma capacitância que um capacitor de baixa voltagem similar, tendo um dielétrico fino. A capacidade de alguns materiais dielétricos comumente usados está listada na figura 8-186.

A classificação da voltagem também depende da freqüência, porque as perdas e o efeito térmico resultante aumentam conforme o aumento da freqüência.

Dielétrico

Papel

(1) Parafinado

(2) Encerado

K

Resistência de isolação do dielétrico

(volts por 0,001 de polegada)

2.2

3.1

1200

1800

Óleo de Mamona 4.7 380

Baquelite 6.0 500

Figura 8-186 Resistência de isolação de alguns materiais dielétricos.

Um capacitor que pode ser seguramente carregado em 500 volts C.C., não pode ser submetido com segurança a C.A. ou C.C. pulsativa, com valores efetivos de 500 volts.

Uma voltagem alternada de 500 volts

(r.m.s.) tem um pico de voltagem de 707 volts, e um capacitor no qual seja aplicado deve ter uma voltagem de trabalho de, no mínimo, 750 volts.

O capacitor deve, então, ser selecionado de tal forma que sua voltagem de trabalho seja, pelo menos, 50% maior do que a mais alta voltagem a ser aplicada nele.

Reatância capacitiva

A capacitância, como a indutância, oferece oposição ao fluxo de corrente. Esta oposi-

ção é chamada reatância e é medida em ohms. O símbolo para reatância capacitiva é X

ção, c

. A equacorrente = voltagem reatancia capacitiva

, ou

I =

E

X c

é similar à lei de Ohm e a equação para corrente num circuito indutivo. Maior a freqüência, menor a reatância. Daí, a reatância capacitiva,

X =

2

π

1

x f x c onde: f = freqüência em ciclos por segundo c = capacidade em farads

2

π = 6,28

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