Capacitores com dielétricos

RKA4JL - Na maioria dos capacitores, um material não condutor é colocado entre as duas placas que compõem esse elemento. Há duas razões para isso: uma é que o material não condutor previne que uma placa de metal toque a outra porque, se isso acontecesse, não haveria armazenamento de carga já que o circuito estaria fechado e as cargas poderiam fluir livremente. Mas há outra razão para uso de um não condutor: entre as placas, ele faz com que a capacitância seja maior. Desde que o material seja não condutor, não importa do que ele é feito. Desde que você não altere a área das placas do capacitor nem a distância que as separam, introduzir material não condutor vai aumentar a capacitância. O nome dado a esse material não condutor é dielétrico. Mas por que um dielétrico aumenta a capacitância? Para descobrir, vamos olhar um exemplo. Quando conectamos um capacitor a uma bateria que oferece uma voltagem V, as cargas serão separadas. Agora, suponha que você retire a bateria: as cargas nas placas continuarão as mesmas, porque não existe caminho para que as cargas negativas sigam do lado negativo para o positivo. Do mesmo modo, a ddp entre as placas vai continuar a mesma e será igual à voltagem oferecida pela bateria que carregou o capacitor. Agora, imagine que estamos colocando o dielétrico entre as placas do capacitor. O material dielétrico é feito de átomos e moléculas e, quando colocado entre as placas do capacitor, as cargas negativas do dielétrico serão atraídas pelas cargas positivas da placa positiva do capacitor. Mas essas cargas negativas não podem passar para a placa positiva, já que o dielétrico é um material não condutor. Entretanto, as cargas negativas podem se deslocar para as proximidades da placa positiva do capacitor. Isso provoca carga nos átomos e moléculas do material dielétrico e ele vai ficar polarizado. Em outras palavras, como as cargas negativas são atraídas pela placa positiva, elas se deslocam de maneira que uma extremidade do dielétrico vai ficar carregada negativamente e a outra vai ficar carregada positivamente. Também é possível que o material dielétrico já seja polarizado inicialmente, porque em alguns materiais as moléculas já são naturalmente polarizadas, como na água. Nesse caso, quando o dielétrico é colocado entre as placas do capacitor carregado, a atração entre o lado negativo da molécula polarizada e a placa positiva do capacitor vão provocar nas moléculas polarizadas uma pequena rotação, fazendo com que as cargas negativas fiquem um pouco mais próximas da placa positiva do capacitor. O resultado é que as cargas negativas nos átomos e moléculas ficam voltadas para a placa carregada positivamente do capacitor e as cargas positivas do dielétrico ficam voltadas para a placa negativa do capacitor. Então, como isso aumenta a capacitância? A razão é que isso reduz a diferença de potencial entre as placas do capacitor, porque as cargas elétricas do dielétrico cancelam parcialmente a contribuição das cargas elétricas obtidas nas placas do capacitor em termos de gerar uma diferença de potencial. Em outras palavras, algumas das cargas positivas da placa positiva do capacitor estão tendo a sua contribuição para a diferença de potencial cancelada pelo fato de que há uma carga negativa muito próxima a ela agora. De maneira similar, no lado negativo há também algumas cargas positivas do dielétrico que cancelam a contribuição de algumas cargas negativas da placa do capacitor em termos da geração de uma diferença de potencial. A carga total no capacitor continua sendo a mesma, mas a voltagem, a diferença de potencial entre as placas, foi diminuída por causa da polarização do dielétrico. Olhando para a definição de capacitância, nós vemos que a carga permanece a mesma e a voltagem diminui, então a capacitância tende a aumentar, porque dividindo por um número menor o resultado vai ser um número maior, que é a capacitância. Então, inserindo um dielétrico neste caso nós diminuímos a voltagem, a ddp, e, portanto, aumentamos a capacitância. Vamos olhar um outro caso de inserção de dielétrico. Vamos imaginar que uma bateria que oferece uma ddp V carrega completamente este capacitor e vamos inserir um dielétrico entre as suas placas. Mas nesse caso, vamos deixar a bateria conectada. O que vai acontecer? Como antes, os átomos e moléculas no dielétrico irão se orientar, as cargas negativas ficarão voltadas para a placa positiva do capacitor e as cargas positivas ficarão voltadas para a placa negativa do capacitor, o que faz reduzir a ddp entre as placas do capacitor. Mas lembre-se: nós deixamos a bateria conectada e essa bateria fará o que quer que seja para assegurar que a tensão total que ela oferece ao circuito chegue até ele, ou seja, a ddp entre os terminais do capacitor tem que ficar igual à ddp oferecida pela bateria, afinal é isso que a bateria faz. Existe, então, a tentativa de manter uma voltagem constante. Já que o dielétrico reduziu a ddp entre as placas do capacitor, a bateria vai fornecer mais carga para separar, até que a voltagem nos terminais do capacitor seja, de novo, a mesma voltagem oferecida pela bateria. Então, a carga armazenada no capacitor vai aumentar, mas a voltagem nele vai continuar a mesma. Olhando para a definição de capacitância, a carga no capacitor aumentou depois que nós inserimos o dielétrico, mas a voltagem entre as placas do capacitor continua a mesma, já que ele estava ligado a mesma bateria. Então, o efeito de inserir um dielétrico, de novo, é para aumentar a capacitância, mas desta vez armazenando mais carga, para que se mantenha a mesma voltagem nas placas do capacitor. Para descobrir o quanto nós aumentamos a capacitância, nós precisamos saber qual é a constante dielétrica do material que você usou entre as placas do capacitor. A constante dielétrica normalmente é representada com a letra grega "kappa". É como um K. A fórmula para obter o quanto o dielétrico vai alterar a capacitância é simples: se a capacitância de um capacitor antes de ser inserido um dielétrico era C, depois de inserir o dielétrico ela passará a ser K vezes C. Note que se um dielétrico sempre aumenta a capacitância, então a constante dielétrica K deve ser sempre maior que um. Se, por exemplo, um capacitor tem 4 farads de capacidade, quando você insere um dielétrico com constante dielétrica 3, o capacitor passará a ter 12 farads de capacidade. Até o próximo vídeo!