FORMAÇÃO
o electricista
revista técnico-profissional
42
Jorge Castilho Cabrita Engenheiro Electrotécnico (IST)/Professor do Ensino Secundário
lições
LIÇÕES DE ELECTRICIDADE 24º. PARTE
Condensadores em corrente contínua (1ªparte): Introdução histórica. Capacidade. Dieléctricos. Constante dieléctrica. Polarização do dieléctrico. Susceptibilidade eléctrica. Rigidez dieléctrica. Tensão de disrupção.
Inicia-se neste número um estudo do condensador em corrente contínua, desde uma introdução histórica, passando pela sua constituição, funcionamento, fenómenos característicos, grandezas características.
57› CAPACIDADE. CONDENSADORES
Assim se formaram condensadores planos e com diversos dieléctricos.
57.1› INTRODUÇÃO HISTÓRICA O primeiro condensador artificial conhecido foi uma garrafa de vidro com água, a chamada “garrafa de Leyden” (1745), que foi também a primeira forma artificial conhecida de armazenar energia eléctrica para posterior utilização, descoberta a que ficaram associados os nomes de Kleist e Musschenbroek1. Mais tarde, o inglês John Bevis concluiu que podia substituir a água por outro material condutor, como o estanho, o ouro ou o cobre. Benjamin Franklin2 utilizou uma associação de vários destes novos dispositivos como bateria de energia eléctrica, além de introduzir também alterações na sua forma e constituição, acabando por construir uma “garrafa plana” , conhecido por “quadrado de Franklin” (dada a sua forma), constituído por uma placa de vidro entre dois pratos de estanho. Em 1760 foi a vez de Aepinus3 dar a sua contribuição para a evolução do condensador. Arranjou dois pratos circulares metálicos ligados a suportes isolantes, de forma que era possível aproximá-los e afastá-los um do outro. Entre os pratos colocou um vidro removível. Acabara de inventar o condensador de capacidade variável. Por fim, retirou o vidro, criando o primeiro condensador de ar. 1
Nos dias de hoje existe uma grande variedade de condensadores, quer na forma, quer nos materiais constituintes, influenciando as suas características, de capacidade, de tensão máxima admissível, entre outras, que definem quais as aplicações indicadas para cada tipo. O condensador comporta-se de modo diverso em corrente contínua e em corrente alternada. Por essa razão, o seu estudo será feito em duas partes. Certas grandezas características apenas serão referidas na segunda parte, no capítulo de corrente alternada, assim como os tipos de condensadores, para se poderem estabelecer as diferenças entre eles. Na primeira parte, que agora se apresenta, estuda-se a constituição, algumas grandezas características, o funcionamento em corrente contínua, as associações de condensadores.
Figura 222 . Alguns condensadores.
Ver “o electricista” nºs 19 e 20 – Notas biográficas: Kleist e Muss-
chenbroek 2
Ver “o electricista” nº 18 – Notas biográficas: Benjamin Franklin
3
Neste número de “O electricista” – Notas biográficas: Aepinus
57.2› CONDENSADOR PURO Um condensador é constituído (figura 223)
por uma substância isolante (dieléctrico) entre duas substâncias condutoras (armaduras). No condensador puro o dieléctrico é um isolante perfeito com resistência infinita, pelo que é nula a corrente que o atravessa. A oposição à corrente é total.
DUPDGXUDV
GLHO¹FWULFR
Figura 223 . Condensador.
57.3› DEFINIÇÃO DE CAPACIDADE A capacidade de um condensador é uma medida da propriedade que ele tem para armazenar carga eléctrica. O seu valor é dado pelo valor da carga necessária para elevar a sua tensão de 1 Volt. &=
4 8
A tensão U exprime-se em Volt (V), a carga Q em Coulomb (C) e a capacidade C em Farad (F), em homenagem ao físico e experimentador inglês Michael Faraday4. Um condensador com a capacidade de 1 Farad armazena uma carga de 1 Coulomb sob uma tensão de 1 Volt. O Farad é uma unidade de grande valor em relação aos valores habituais das capacidades, pelo que estas são expressas normalmente pelos seus submúltiplos: mF, μF, nF, pF. Recordam-se os valores destes sub-múltiplos. 4
Nota biográfica sobre Michael Faraday a publicar em “o electricista”
PUB
o electricista
revista técnico-profissional
LIÇÕES DE ELECTRICIDADE 45
EXERCÍCIO 46 Determinar os valores de I1, I2 e I3 no circuito representado pelo esquema da figura 221 aplicando as leis de Kirchhoff. Os valores dos componentes são: R1 =100 : ;R 2 =200 : ;R 3 =300 : ;E 1 =100 V ;E 2 =200 V ;E 3 =300 V. Substitua estes valores nas equações logo no início da resolução. Compare os resultados obtidos com os calculados no ponto 56.5. I1 + I2 + I3 = 0 - E1 – E2 = - R1 I1 + R2 I2 E2 + E3 = - R2 I2 + R3 I3 I1 = - I 2 - I 3 - 100 – 200 = - 100 (-I2 –I3) + 200 I2 200 + 300 = - 200 I2 + 300 I3 I1 = - I 2 - I 3 - 300 = 300 I2 +100 I3 500 = - 200 I2 + 300 I3 I1 = - I 2 - I 3 300 100 I 3 I2 300 500 200
300 100 I 3 300 I 3 300
I1 = - I 2 - I 3 300 100 I 3 300 150000 = 60000+20000 I3 + 90000 I3
I2
I1 = - I 2 - I 3 300 100 I 3 I2 300 90000 = 110000 I3 I1 = - I2 – 0,(81) 300 100 0, (81) I2 300
I3 = 0,(81) A I1 = 1,(27) – 0,(81) = 0,(46) A I 2 1, (27) A I3 = 0,(81) A
São iguais. EXERCÍCIOS PROPOSTOS (RESOLUÇÃO NO PRÓXIMO NÚMERO) EXERCÍCIO 47: Calcular o valor da carga armazenada num condensador de 220 μF quando a tensão entre as armaduras é 100 V. EXERCÍCIO 48: Calcular o valor da capacidade dum condensador plano, com armaduras quadradas de 1 cm de lado e espessura entre elas de 1mm, para os seguintes dieléctricos: a) ar b) poliéster c) mica (moscovite) d) óxido de tântalo e) material cerâmico com Hr =100 000 EXERCÍCIO 49: Calcular a tensão de disrupção num condensador plano com uma espessura de 0,5 mm de dieléctrico, considerando os casos de ar, nylon e mica.