Preparação de um Artigo no Formato Duas

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
Supercapacitores.

Capacitores,
varão. O experimentador com a garrafa numa mão
aproximava a outra mão do varão fazendo saltar faíscas do
varão para a mão.
Condensadores,
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
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
totalmente descarregado (o mesmo número de elétrons nas
duas placas).
C. PROPRIEDADES ELÉTRICAS
A propriedade que os capacitores têm de armazenar energia
elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de
capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo quociente da
quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de
potencial ou tensão (V) que existe entre as placas:
O princípio de funcionamento pode ser demonstrado através
do seguinte circuito representado na figura 2:
C
Q
V
(1)
Figura 2 – Circuito com bateria e capacitor.
Pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), um capacitor
tem a capacitância de um farad (F) quando um coulomb de
carga causa uma diferença de potencial de um volt (V) entre
as placas. O farad é uma unidade de medida considerada
muito grande para circuitos práticos, por isso, são utilizados
valores de capacitâncias expressos em microfarads (μF),
nanofarads (nF) ou picofarads (pF).
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 capacitância de um capacitor de placas paralelas
constituído de dois eletrodos planos idênticos de área A
separados à distância constante d é aproximadamente igual a:
 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:
C   0 r
A
d
(2)
Onde:
C = capacitância em faraday;
ε0 = permissividade eletrostática do vácuo;
εr= constante dielétrica ou permissividade relativa do isolante
utilizado.
Capacitores são freqüentemente classificados de acordo com
o material usados como dielétrico:




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
ser removida e substituída por um fio elétrico. A corrente
fluirá de uma placa do capacitor para a outra. A lâmpada
acenderá e então começará a diminuir cada vez mais sua
luminosidade, até apagar assim que o capacitor estiver
cerâmica (valores baixos até cerca de 1 μF);
poliestireno (geralmente na escala de picofarads);
poliéster (de aproximadamente 1 nF até 1F);
polipropilêno (baixa perda, alta tensão, resistente a
avarias);
 tântalo (compacto, dispositivo de baixa tensão, de até 100
μF aproximadamente);
 eletrolítico (de alta potência, compacto e perda elevada, na
escala de 1 μF a 1000 μF).
Propriedades importantes dos capacitores, além de sua
capacitância, são a máxima tensão de trabalho e a quantidade
de energia perdida no dielétrico. Para capacitores de alta
potência a corrente máxima e a Resistência em Série
Equivalente (ESR) são considerações posteriores. Um ESR
típico para a maioria dos capacitores está entre 0,0001 ohm e
0,01 ohm, valores baixos preferidos para aplicações de
correntes altas.
Já que capacitores têm ESRs tão baixos, eles têm a
capacidade de entregar correntes elevadas em circuitos
curtos, o que pode ser perigoso. Por segurança, todos os
capacitores grandes devem ser descarregados antes do
manuseio. Isso é feito colocando-se um resistor pequeno de 1
ohm a 10 ohm nos terminais, isso é, criando um circuito entre
os terminais, passando pelo resistor.
correspondente à tensão aplicada (que pode ser obtida pela
relação Q=CV) e o fluxo de corrente é interrompido. Logo a
corrente contínua (CC) não pode fluir pelo capacitor.
Entretanto, correntes alternadas (AC) podem: cada mudança
de tensão ocasiona carga ou descarga do capacitor,
permitindo desta forma que a corrente flua.
A "resistência" de um capacitor, sob regime AC, é conhecida
como reatância capacitiva, e a mesma varia conforme varia a
frequência do sinal AC. A reatância capacitiva é dada por:
D. ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES
Num circuito de condensadores montados em paralelo todos
estão sujeitos à mesma diferença de potencial (tensão). Para
calcular a sua capacidade total (Ceq):
XC 
1
2  f  C
(6)
Onde:
XC = reatância capacitiva em ohms;
f = freqüência do sinal AC em hertz;
C = capacitância medida em Farad.
A impedância de um capacitor é dada por:
Figura 4 – Associação em parelelo de capacitores.
Ceq  C1  C2 
  
 Cn
Z 
(3)
A corrente que flui através de capacitores em série é a
mesma, porém cada capacitor terá uma queda de tensão
(diferença de potencial entre seus terminais) diferente. A
soma das diferenças de potencial é igual a diferença de
potencial total. Para conseguir a capacitância total:
j
2  f  C
(7)
Portanto, a reatância capacitiva é a componente imaginária
negativa da impedância.
F.
PREÇOS DE CAPACITORES
As tabelas a seguir apresentam os preços médios de diversos
capacitores com diferentes capacitâncias e tensões máximas:
Figura 5 – Associação em série de capacitores.
1
1
1
 

Ceq C1 C2
  

1
Cn
Tabela 1– Preço de capacitores.
(4)
Na associação mista de capacitores, tem-se capacitores
associados em série e em paralelo. Nesse caso, o capacitor
equivalente deve ser obtido, resolvendo-se o circuito em
partes, conforme a sua configuração.
E. CIRCUITOS ELÉTRICOS
A corrente que percorre um capacitor pode ser obtida pela
expressão abaixo:
I
dQ
dV
C
dt
dt
Tipo de Capacitor
Capaciância
Cerâmico
220nF
Cerâmico de Alta Tensão
560pF
Cerâmico Multicamada
220nF
Eletrolítico
220nF
Snap In
47uF
Poliéster Metalizado
220nF
Tântalo
220nF
A Óleo
220nF
Poliéster-axial
330nF
Porcelana-axial
220nF
Tensão
50 V
3 kV
50 V
400 V
400 V
500 V
35 V
600 V
400 V
250 V
Preço
R$ 0,30
R$ 2,00
R$ 0,50
R$ 1,00
R$ 4,60
R$ 0,40
R$ 1,00
R$ 4,00
R$ 6,00
R$ 5,00
(5)
Onde I é a corrente fluindo na direção convencional, e dV/dt
é a derivada da tensão, em relação ao tempo.
No caso de uma tensão contínua (CC) quando o equilíbrio é
encontrado se estabelece uma carga nas placas
G. APLICAÇÕES
Os capacitores são utilizados de várias maneiras em circuitos
eletrônicos:
 os capacitores são utilizados para armazenar carga para
utilização rápida, como no flash de câmeras fotográficas;
 os capacitores podem eliminar ondulações. Se uma linha
que conduz corrente contínua (CC) possui ondulações e
picos, um capacitor pode uniformizar a tensão absorvendo
os picos e preenchendo os vales;
 os capacitores são combinados com indutores para criar
osciladores. São comumente usados em fontes de energia
onde suavizam a saída de uma onda retificada completa
ou meia onda.
 Por passarem sinais de Corrente Alternada (CA) mas
bloquearem CC, capacitores são freqüentemente usados
para separar circuitos CA de CC. Este método é conhecido
como acoplamento AC.
 Capacitores também podem ser fabricados em aparelhos
de circuitos integrados de semicondutores, usando linhas
metálicas e isolantes num substrato. Tais capacitores são
usados para armazenar sinais analógicos em filtros
chaveados por capacitores, e para armazenar dados digitais
em memória dinâmica de acesso aleatória (DRAM).
Em sistemas elétricos de potência os capacitores são usados
na correção de fator de potência. Tais capacitores
freqüentemente vêm como três capacitores conectados como
uma carga trifásica. Geralmente, os valores desses
capacitores não são dados pela sua capacitância, mas pela sua
potência reativa em var.
III. SUPERCAPACITORES
Um supercapacitor, também conhecido como megacapacitor
ou ultracapacitor (vide Figura) é um condensador
eletroquímico que possui uma extraordinária capacidade de
armazenamento de energia quando comparado a capacitores
comuns.
O primeiro supercapacitor, baseado em um mecanismo de
camada dupla, foi desenvolvido em 1957 pela General
Eletronics em uma patente que usava um eletrodo de carbono
poroso. Acreditou-se que a energia fora armazenada nos
poros
de
carbono,
exibindo
este
capacidade
"excepcionalmente alta" de armazenamento, embora o
mecanismo fosse desconhecido naquele momento.
A. COMPARAÇÃO COM BATERIAS
Tal armazenamento de energia tem vantagens e desvantagens
em relação às baterias, como segue listado abaixo:
Vantagens:
 Pouca degradação em cima de centenas de milhares de
ciclos;
 Boa reversibilidade;
 Menor peso;
 Baixa toxicidade de materiais usados;
 Eficiência de ciclo alta (95% ou mais).
Desvantagens:
 A quantia de energia armazenada por peso de unidade é
consideravelmente mais baixa que o de uma bateria
eletroquímica;
 A tensão varia com a energia armazenada. Para armazenar
efetivamente e recuperar energia é necessário controle
eletrônico sofisticado.
B. CONSTITUIÇÃO FÍSICA
É constituído basicamente por aerogel (um material de alta
porosidade) ou pela associação de nanotubos de carbono com
polímero, que apresentam propriedades de nanoporosidade
excelentes, deixando espaços minúsculos aos polímeros para
encaixarem-se no tubo e agir como um dielétrico.
Já o aerogel de carbono é um material que possui área
superficial extremamente alta (em torno de 400-1000 m²/g).
Através dessa tecnologia, capacidades de até 77F/cm3 foram
obtidas para uma tensão máxima de 2.5V e densidade de
energia de 325 kJ/kg (cerca de 70% da capacidade provida
por baterias de polímero de lítio).
Normalmente os eletrodos de supercapacitores de aerogel são
feitos de papel não tecido feito de fibras de carbono e
cobertos com aerogel orgânico que então sofre pirólises.
C. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Um capacitor de dupla camada ou supercapacitor é baseado
na separação de carga interfacial através de uma dupla
camada elétrica. Com eletrodos de alta área superficial a
capacitância por unidade geométrica é amplificada. As faixas
de densidade de energia e potência para os supercapacitores,
comparadas àquelas para as baterias chumbo-ácido,
geralmente utilizadas nos automóveis, estão apresentadas na
Tabela 22.
Figura 6 – Supercapacitor.
Tabela 2 – Características elétricas de supercapacitores e baterias chumboácido.
Supercapacitores
Baterias
Chumbo-Ácido
Densidade de
Energia (kJ.kg-1)
3,6 – 1,8
Densidade de
Potência (kW.kg-1)
0,3 – 1,0
54 – 108
0,1 – 0,3
Portanto, supercapacitores são dispositivos de alto
desempenho em relação à densidade de potência. A evolução
da sua tecnologia, entretanto, está associada à evolução dos
materiais constituintes como, por exemplo, o uso de
eletrólitos poliméricos na forma de filmes no lugar dos
eletrólitos líquidos. Em relação ao eletrodo de carbono, podese dizer que os pós de carbono amorfo (negro de fumo) e as
mantas ou tecidos porosos competem em descrições
diferentes de produtos. Mais recentemente os nanotubos de
carbono têm sido alvo de interesse com patentes depositadas.
Dentre os grandes desafios, para se conseguir na prática o
desempenho previsto teoricamente (300 F/g carbono) para
esses dispositivos, estão controlar a área superficial e a
superfície condutora, por exemplo, das partículas
nanométricas de carbono amorfo ou nanotubos de carbono e
garantir boa dispersão dessas entidades na matriz de eletrólito
polimérico.
D. APLICAÇÕES
A aplicação mais promissora para os novos supercapacitores
está nos veículos híbridos, embora sua combinação com
energias limpas, como solar e eólica, possa transformá-los
numa solução viável até mesmo para o abastecimento
residencial em áreas não atendidas pela rede tradicional de
distribuição. A energia gerada nos momentos de sol ou
quando há vento, poderia ser armazenada em
supercapacitores e liberada quando necessária; este princípio
já funciona hoje, mas utiliza baterias chumbo-ácidas, com
pequena capacidade de retenção de energia e vida útil curta.
Os supercapacitores de aerogel pequenos estão sendo usados
como baterias de apoio em microeletrônicos, mas são
esperadas aplicações para veículos elétricos.
Supercapacitores baseados neste conceito de estocagem de
energia tem sido propostos para diversos usos como, por
exemplo, telefones celulares, computadores portáteis,
terminais de dados “sem cabos”, sistemas automotivos de
partida e veículos híbridos e elétricos.
E.
Supercapacitores usados sozinhos ou com fontes de longo
prazo de energia (geradores) estão se tornando a mais nova
referência em confiabilidade de sistemas de potência.
Para instalações que precisam de um valor de até um minuto
de sustentação, supercapacitores podem ser usados, seja para
aliviar baixa potência de curta duração, permitir que
equipamentos executem uma ação iniciada ou para transferir
o sistema para uma fonte de potência secundária.
Além disso, considerando-se que a maioria dos cortes de
energia são da ordem de segundos, supercapacitores podem
aliviar o gerador ou célula combustível, reduzindo o uso e
desgaste do sistema de proteção, o que proporciona redução
de manutenção e gastos.
Um novo sistema de armazenamento de energia (SITRAS
SES) foi desenvolvido e está sendo usado no transporte
público (trens, bondes, metrô) de várias cidades. É um
sistema que recupera e armazena a energia produzida na
travagem das rodas dos trens. Sua utilização permite uma
economia de até 30% de energia, o que o torna um
importante contribuinte para a estabilização da tensão na
rede.
Quando o trem está freando, seu motor elétrico atua como um
gerador e essa energia produzida pode ser jogada na rede. No
entanto, esse excesso de energia só pode ser usado se houver,
ao mesmo tempo, um aumento na demanda de energia na
rede, como um trem partindo, por exemplo. Mas isso é muito
raro, o que faz com que toda essa energia seja desperdiçada.
Cerca de nove anos atrás os engenheiros da Siemens
começaram a pensar sobre o armazenamento dessa energia de
frenagem e usá-la depois em trens que estejam partindo, que
é quando ocorre o maior consumo de energia.
Simulações e testes práticos em várias cidades mostraram que
utilizando um sistema adequado de armazenamento de
energia por cerca de 22 horas por dia, poderia reduzir o
consumo primário anual de energia em 500000 KWh.
Os supercapacitores se mostraram a melhor opção de
armazenamento de energia nesses casos se comparados com
baterias, volantes e capacitores, que também foram testados.
Os supercapacitores usados são os 1344 da Maxwell, que
operam a uma tensão de 2,3V. Cada um tem uma
capacitância de 2600F e tamanho muito reduzido. A
capacidade de pico de potência do sistema é de 1 MW.
APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE POTÊNCIA
Os supercapacitores oferecem uma solução viável e confiável
para oferecer potência em curto prazo quando há
desequilíbrio entre potência fornecida e potência consumida,
ou seja, quando a potência exigida pelo sistema é maior que a
fornecida.
E.
CONCLUSÕES
De acordo com a história da evolução dos capacitores e
supercapacitores, foi possível observar que estes se tornaram,
depois de muitos experimentos, mais eficientes e com
tamanho reduzido com o passar dos anos. Possibilitando
também a criação de diversos tipos, sendo que cada um
possui sua finalidade, ou seja, são feitos para serem mais
eficientes em determinados tipos de projetos.
Através da comparação anteriormente realizada entre
supercapacitores e baterias chumbo-ácidos, pode-se notar
através da tabela 1, que os supercapacitores apresentam
Densidade de Energia (kJ.kg-1) menor e Densidade de
Potência (kW.kg-1) maior em relação às baterias chumboácidos. Isto prova que estes possuem um alto desempenho
com relação às baterias de acordo com a Densidade de
Potência.
REFERÊNCIAS
[1] HALLIDAY, D; RESNICK, R. Fisica. Rio de Janeiro: Livro Tecnico,
Vol.2.
[2] BOYLESTAD, R. Introdução à Análise de Circuitos. São Paulo. 10ª
Edição. Prentice Hall.
[3] http://pt.wikipedia.org/wiki/Supercapacitores. Acessado às 16:25h no dia
10 de setembro de 2009.
[4] http://www.abve.org.br/destaques/2009/destaque09029.asp. Acessado às
18:59h no dia 10 de setembro de 2009.
[5]http://www.unb.br/iq/kleber/EaD/Eletromagnetismo/Capacitores/Capacito
res.html. Acessado às 17:15h no dia 11 de setembro de 2009.
[6]http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=0101
15040512. Acessado às 19:30h no dia 11 de setembro de 2009.