Relatório Física 3: Capacitores
Campus Pato Branco Engenharia de Computação
Laboratório de Física I RELATÓRIO EXPERIMENTAL: CAPACITORES.
PROFESSOR: Emir Baude ACADÊMICOS: 1. Cristiano A. Garcia Dal Posso 2. Igor Hoelscher 3. Luiz felipe benedito 4. Vagner Martinello
Pato Branco - PR 13 de sertembro de 2010
Este relatório tem por objetivo demonstrar experimentos referentes à capacitância em função da distância das placas e do dielétrico. Um capacitor é constituído de duas placas finas paralelas e carregadas, separadas por um material isolante (conhecido por dielétrico). Nos experimentos, utilizamos ar e laminas transparentes, em seção, aumentando gradativamente a distância entre as placas, conforme a largura das transparências.
1. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO 1.1. CAPACITORES
Um capacitor apresenta a propriedade de armazenar uma grande quantidade de carga elétrica, desde que os corpos condutores sejam separados por uma pequena distância. Também chamado de condensador, o capacitor armazena energia, na forma de energia potencial, do mesmo modo que é possível armazenar essa energia ao esticar a corda de um arco, comprimir um gás ou, levantar um livro. No entanto essa propriedade se aplica no campo elétrico.
" os capacitores microscópicos formam os bancos
de memória dos computadores. Os campos elétricos nestes minúsculos dispositivos são significativos não só pela energia armazenada, mas também pela informação LIGADESLIGA que a presença ou ausência deles proporciona." (HALLIDAY, 1996)
A unidade de capacitância, coulomb por volt, é denominada farad (F) em homenagem a Michael Faraday, pioneiro no desenvolvimento deste conceito. Entretanto, a unidade é muito grande para a maioria dos valores práticos e os submúltiplos (µF, nF, pF) são bastante empregados.
Para o capacitor ser eletrizado, uma armadura é ligada a um pólo positivo de gerador eletriza-se positivamente e a outra ligada ao pólo negativo, eletriza-se negativamente. Estando o capacitor eletrizado, suas armaduras apresentam cargas elétricas de mesmo valor absoluto e sinais opostos, +Q e –Q. Entre as armaduras do capacitor, existe um meio não condutor (isolante) chamado dielétrico. Um capacitor com placas planas e paralelas, de área A e distância d, tem capacitância = . Mas, quando o espaço entre as placas de um capacitor está completamente preenchido com um material dielétrico (que nesta experiência serão lâminas transparentes), a capacitância fica aumentada por um fator k, chamado de constante dielétrica (conforme a Tabela 2.1.1). Quando há, portanto, um dielétrico, a equação eletrostática se torna: =
Papel parafinado 2,5 Plástico 3,0 Poliestireno 2,5 – 2,6 Porcelana 6,0 Pyrex 5,1 Sílica fundida 3,8 Titanatos 50 – 10000 Vidro de cal de soda 6,9
2. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL 2.1. Material utilizado
2.1.1. Capacitores: • Capacitor de placas paralelas;
• Multímetro com conexão;
• Dielétricos;
• Micrometro e paquímetro.
2.2. Descrição dos Experimentos
Primeiramente utilizando um paquímetro, medimos o diâmetro das placas do capacitor. Em seguida com um micrometro, medimos a espessura das lâminas transparentes, nove ao total medindo cerca de 0,00014m cada.
A cada folha que era colocada entre as placas, mediamos a capacitância encontrada com a presença e a ausência dos dielétricos. Esse experimento foi repetido aumentando gradativamente a distância entre as placas, com uma, duas, três, até serem colocadas as nove lâminas.
2.3. Resultados Obtidos 2.3.1. Capacitância e constante dielétrica (k)
Conforme os passos, relatados no item anterior, encontramos o raio (0,05m) e a espessura de uma lâmina de transparência (0,00014m). Com as lâminas, uma a uma, colocadas entre as placas, encontramos a capacitância. O mesmo foi feito quando havia apenas ar entre as placas, mantendo a distância deixada pelas lâminas.
Na Tabela 3.3.1.1. pode ser observada a variação que ocorre na capacitância (dada em nF) das lâminas e do ar quando era alterado o número de lâminas entre as placas do capacitor. No Gráfico 3.3.1.1. é possível analisar o comportamento das curvas devido essa variação.
Para calcular a constante dielétrica precisa-se saber apenas a capacitância das lâminas a uma distância, em uma dada área. Todos os dados são encontrados facilmente: a distância entre as placas paralelas é dada pela espessura das lâminas, que vai se somando a partir que um número maior de lâminas é colocado. A área em questão é a da circunferência, que é o formato das placas do capacitor. Sabemos ainda a capacitância encontrada em cada um dos experimentos.
Deduzimos portanto, que se a capacitância é dada pelo produto entre a constante dielétrica, a permissividade do vácuo e a área, divido pela distância entre as placas, então:
Capacitância (dielétrico)
Vemos na Tabela 3.3.1.2. a constante dielétrica encontrada para o material, relacionada a cada capacitância encontrada, quando variamos a distância (aumentando o número de lâminas). Sabe-se que a constante dielétrica para o ar é de 1,0006, portanto não demonstramos os resultados obtidos para ela nesta tabela.
Lâminas (unidade) Capacitância (nF) Distância (10-3) Constante Dielétrica das lâminas (C²/m².N)
3. ANÁLISE DOS RESULTADOS E CONCLUSÃO
A constante dielétrica do ar, como consta na Tabela 2.1.1, é de aproximadamente 1,0006. Os experimentos foram realizados com os capacitores separados por ar e por lâminas transparentes.
Os cálculos apresentados na Tabela 3.3.1.2. mostram os número relacionados às lâminas. Mostram ainda a relação inversa entre a distância e a capacitância. Quanto menor é a distância, maior é a capacitância (ou o valor de energia armazenada entre as placas). A constante sofreu alterações durante todo o processo de experimentação. Isso pode ter ocorrido por erros no momento da prática ou ainda por diferenças nos materiais e nas superfícies das lâminas transparentes.
No entanto, os números seguiram um padrão, diminuindo sempre que a distância diminuía. A média dentre as constantes encontradas, foi de aproximadamente 1,36.
1. HALLIDAY, R. W. - Fundamentos de Física - Eletromagnetismo, 4 ed. – Rio de Janeiro: LT- p.18 -19, 1996.