Capacitores - Carga e Descarga

Como falado anteriormente, a capacidade de armazenamento de cargas é a principal característica dos capacitores. Sabendo disso, vamos analisar cuidadosamente o que ocorre no carregamento de um capacitor e na descarga do mesmo. Você não pode encerrar esta aula sem conhecer o princípio básico de funcionamento do capacitor, pois irá utilizá-lo bastante ao longo do curso.

Situação de carga - Inicialmente, vamos considerar que queremos carregar o capacitor. Esta situação está ilustrada na figura 15 (Carga). Neste caso, temos duas situações:

Primeira: Chave S1 aberta.

Nesta situação o capacitor deve estar completamente descarregado, ou seja, a tensão em seus terminais é zero (V_C = 0) e a corrente que flui pelo circuito também é zero (I_C = 0), uma vez que S1 está aberta.

Segunda: Chave S1 fechada.

No exato momento em que a chave S1 é fechada, a tensão em cima do capacitor permanecerá em zero, fazendo com que toda a tensão da fonte seja aplicada ao resistor R. Logo, neste momento, teremos a situação de corrente máxima durante a carga, e seu valor será dado por:

 

 

Mas, o que ocorre com a tensão do capacitor (VC)? Continuará em zero?

Não. A tensão nos terminais do capacitor irá aumentando exponencialmente com o tempo, obedecendo à seguinte equação:

 

 

onde, “e” é uma constante aproximadamente igual a 2,7182.

 

 

Vamos entender melhor essa equação. Para isso, é importante que você acompanhe pelo gráfico ilustrado na figura 16, carga.

No início, quando a chave S1 estava aberta, afirmamos que o capacitor estava complemente descarregado, ou seja, V_C = 0. Esse valor se mantém (V_C = 0) para o momento imediatamente depois que a chave é fechada, como explicado na observação. Podemos confirmar isso pela equação. Esse momento é caracterizado pelo instante de tempo t = 0. Substituindo esse valor na equação, temos:

 

 

Esse resultado confirma nossa suposição inicial.

Agora, vamos nos atentar para um caso especial, que ocorre quando o instante de tempo é t = RC. Neste caso, temos a seguinte situação:

 

 

Concluímos que, para t = RC, o valor da tensão no capacitor é 63% da tensão da fonte. Esse valor é conhecido como constante de tempo, comumente associada à letra grega tau(τ = RC).

Outro caso específico ocorre quando o tempo tende a infinito, ou seja, quando o circuito permanece ligado por muito tempo. Neste caso, o valor da tensão no capacitor tende a se igualar com a tensão da fonte de alimentação. É comum considerarmos que o capacitor está completamente carregado, quando o tempo que o circuito está ligado é maior ou igual a 10 vezes a constante de tempo. Vamos comprovar essa afirmação:

 

 

Quando o circuito chega nessa situação, dizemos que o capacitor está carregado (V_C,MAX = V) e que a corrente que flui pelo circuito é zero (I_C = 0). Uma vez que não há tensão sobre o resistor, pois toda a tensão de alimentação está aplicada ao capacitor.