carga e descarga de um capacitor

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Departamento de Física e Química – Curso de Física
Laboratório de Competências Experimentais II
CARGA E DESCARGA DE UM CAPACITOR
Objetivos
Estudar como se processam a carga e a descarga em um capacitor, e aprender a calcular a energia
transferida da fonte a um capacitor por métodos gráficos.
Introdução
Um capacitor é um dispositivo que armazena carga elétrica. De uma forma simples podemos dizer que um
capacitor é constituído por um par de placas metálicas, separadas por um dielétrico (isolante).
Existem formatos diferentes de capacitores, adequados a diversas utilizações.
A capacitância mede a quantidade de cargas armazenadas nas placas para cada volt de diferença de
potencial entre elas, e é constante para um dado capacitor. A capacitância depende apenas da geometria do
capacitor e do material usado entre as placas.
C
Q
V
(7.1)
Sendo a carga medida em coulombs e a ddp em volts, a capacitância é dada em farad, cujo símbolo é: F.
Mas na maioria das aplicações o farad é uma unidade muito grande. Apenas em 1996, como resultado de
pesquisas na área de materiais, foi conseguido um dielétrico que usado em capacitores resultou num capacitor da
ordem de farad. Normalmente utilizamos capacitores menores, e assim é comum o uso de submúltiplos do farad:
1 microfarad (1F) = 10
6
F
1 nanofarad (1 nF) = 10 F
12
1 picofarad (1 pF) = 10 F
9
Procedimento
a) Material utilizado:
01 capacitor eletrolítico de 1000 F
01 resistor de 22 k
01 bateria de 1,5 V
01 cronômetro digital
01 microamperímetro de zero central
04 fios de ligação
b) Montagem:
B
R
+
_
+
_C
A
mA
c) Descrição do experimento:
1. Monte o circuito acima, observando as polaridades e tomando o cuidado de deixar livre uma
extremidade do fio ligado ao resistor.
2. Prepare-se para ligar a ponta livre do fio ao ponto A, simultaneamente ligando o cronômetro. Vai ter
início uma corrente que começa no ponto mais alto e cai, de início rapidamente e depois muito lentamente.
3. Preencha a tabela abaixo:
Carga do capacitor
¡ (µA)
t (s)
4.
5.
Construa o gráfico i x t para este processo.
Espere o ponteiro do microamperímetro chegar a zero e dê início ao processo de descarga. Para isto
retire a ponta livre do ponto A ligando-a rapidamente ao ponto B, e disparando, simultaneamente, o
cronômetro. Acompanhe a queda da corrente novamente preenchendo a tabela abaixo (observe que a
corrente, neste caso, circula em sentido contrário):
Descarga do capacitor
¡ (µA)
t (s)
6. Construa o gráfico i x t para o processo de descarga.
QUESTÕES
1. O processo de carga ou descarga é exponencial. Se fosse linear, o tempo gasto seria t. Este tempo, pode-se
demonstrar, é igual ao produto RC, e chama-se constante de tempo capacitiva (  C = RC). Graficamente podemos
determinar o produto RC traçando-se a tangente à curva de decaimento da corrente no ponto em que t = 0, como
se vê nas figuras
abaixo.
curva de carga do capacitor
curva de descarga do capacitor
i (A)
i (A)
RC
t (s)
t (s)
RC
RC = constante de tempo capacitiva
Usando os gráficos que você construiu, determine a constante de tempo capacitiva, e compare com o resultado
obtido por cálculo:
C
= RC.
2. Que aplicações você consegue ver para um circuito de carga e descarga de um capacitor?
3. Pense na finalidade do resistor em série no circuito. Para facilitar seu raciocínio, pense em colocar mais um
resistor em série e verifique se isto alteraria o tempo de carga e descarga.
4. Pela definição de corrente elétrica (expressão 3.1) podemos dizer que a carga pode ser dada pela expressão:
dq  idt
(7.2)
q   idt
(7.3)
Assim, podemos calcular a carga:
A carga acumulada no capacitor até um certo instante t pode ser obtida pela área sob a curva no gráfico corrente x
tempo. Calcule a carga em qualquer dos dois gráficos que você fez.
i (A)
area = carga acumulada
até o tempo t
Q
t (s)
t
5. Sendo a energia acumulada num tempo t dada pela expressão:
Q2
U
2C
(7.4)
Calcule a energia transferida da fonte ao capacitor em sua experiência.
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