é um componente que armazena cargas elétricas num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.
Historicamente, a ideia de seu uso baseia-se na Garrafa de Leiden em 1746 por Pieter van Musschenbroek na cidade de Leiden, na Holanda.
História Em outubro de 1745, Ewald Georg von Kleist, descobriu que uma carga poderia ser armazenada, conectando um gerador de alta tensão eletrostática por um fio a uma jarra de vidro com água, que estava em sua mão. A mão de Von Kleist e a água agiram como condutores, e a jarra como um dielétrico (mas os detalhes do mecanismo não foram identificados corretamente no momento). Von Kleist descobriu, após a remoção do gerador, que ao tocar o fio, o resultado era um doloroso choque. Em uma carta descrevendo o experimento, ele disse: "Eu não levaria um segundo choque pelo reino de França". No ano seguinte, na Universidade de Leiden, o físico holandês Pieter van Musschenbroek inventou um capacitor similar, que foi nomeado de Jarra de Leiden.
Daniel Gralath foi o primeiro a combinar várias jarras em paralelo para aumentar a capacidade de armazenamento de carga. Benjamin Franklin investigou a Jarra de Leiden e "provou" que a carga estava armazenada no vidro, e não na água como os outros tinham suposto. Ele também adotou o termo "bateria", posteriormente aplicada a um aglomerados de células eletroquímicas.
Jarras de Leiden foram utilizados exclusivamente até cerca de 1900, quando a invenção das transmissões de rádio em 1899 criou uma demanda por capacitores padrão, e o movimento constante para frequências mais altas necessitavam de capacitores com baixa capacitância.
No início capacitores também eram conhecidos como condensadores, um termo que ainda é utilizado atualmente. O termo foi usado pela primeira vez por Alessandro Volta em 1782, com referência à capacidade do dispositivo de armazenar uma maior densidade de carga elétrica do que um condutor normalmente isolado.
Corrente de deslocamento O físico James Clerk Maxwell propôs o conceito de corrente de deslocamento para tornar a Lei de Ampère consistente com o princípio de conservação da carga em casos em que a carga elétrica se acumula, como por exemplo num capacitor. Ele interpretou este fenômeno como um movimento real de cargas, mesmo no vácuo, onde ele supôs que corresponderia ao movimento de cargas de um dipolo no éter. Embora essa interpretação tenha sido abandonada, a correção de Maxwell à lei de Ampere permanece válida (um campo elétrico variável produz um campo magnético).
A corrente de deslocamento deve ser incluída, por exemplo, para aplicação das Leis de Kirchhoff a um capacitor.
Física do capacitor Visão geral
Os formatos típicos consistem em dois eletrodos ou placas que armazenam cargas opostas.Ulaby, p.168 Estas duas placas são condutoras e são separadas por um isolante (ou dielétrico). A carga é armazenada na superfície das placas, no limite com o dielétrico. Devido ao fato de cada placa armazenar cargas iguais, porém opostas, a carga total no dispositivo é sempre zero. 170px|center|Esquema de um capacitor simples de placas paralelas Quando uma diferença de potencial V = Ed é aplicada às placas deste capacitor simples, surge um campo elétrico entre elas. Este campo elétrico é produzido pela acumulação de uma carga nas placas. Capacitância A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas:
Pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), um capacitor tem a capacitância de um farad (F) quando um coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um volt (V) entre as placas (ou armaduras). O farad é uma unidade de medida considerada muito grande para circuitos práticos, por isso, são utilizados valores de capacitâncias expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF).
A equação acima é exata somente para valores de Q muito maiores que a carga do elétron (e = 1,6021 × 10−19 C). Por exemplo, se uma capacitância de 1 pF fosse carregada a uma tensão de 1 µV, a equação perderia uma carga Q = 10−19 C, mas isto seria impossível já que seria menor do que a carga em um único elétron. Entretanto, as experiências e as teorias recentes sugerem a existência de cargas fracionárias.
A capacitância de um capacitor de placas paralelas constituído de dois eletrodos planos idênticos de área A separados à distância constante d é aproximadamente igual a:
onde C é a capacitância em farad; ε0 é a permissividade eletrostática do meio (vácuo ou espaço livre); εr é a constante dielétrica ou permissividade relativa do isolante utilizado.
Energia 170px|center|A capacitor with a dielectric Os elétrons das moléculas mudam em direção à placa da esquerda positivamente carregada. As moléculas então criam um campo elétrico do lado esquerdo que anula parcialmente o campo criado pelas placas. (O espaço do ar é mostrado para maior clareza; em um capacitor real, o dielétrico fica em contato direto com as placas.)
Para carregar um capacitor, é preciso carregar uma das armaduras com carga e a outra com carga .O processo implica uma transferência de carga de uma armadura para a outra. Essa passagem pode ser devida à ligação de dois cabos nas armaduras e nos terminais de uma bateria.[ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0) ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 14 jun. 2013.
Para calcular a energia dispensada nesse processo, imaginamos que a carga total foi transferida em pequenas cargas infinitesimais desde uma das armaduras até a outra, como se mostra na figura abaixo. Cada vez que uma carga passa da armadura negativa para a positiva, ganha uma energia potencial elétrica:
thumb|center|490px|left|Passagem da carga de uma armadura para a outra num capacitor
A energia total armazenada no condensador obtêm-se por integração, de até (área sob a reta no gráfico de em função de , na figura abaixo). O resultado é:
thumb|center|490px|Aumento da diferença de potencial no condensador, em função da carga nas armaduras
Usando a equação de capacitância, que relaciona a carga e a diferença de potencial em qualquer condensador, a equação da energia total armazenada no condensador pode ser escrita em outras duas formas alternativas:
A carga não será transferida para as armaduras de forma instantânea. Quando ligarmos um condensador a uma fonte, a carga aumentará gradualmente até uma carga final. O processo de aumento da carga, em função do tempo, denomina-se resposta transitória do condensador; se a resistência entre a fonte e as armaduras do condensador não for muito elevada, a resposta transitória será extremamente rápida e podemos admitir que a carga no condensador já tem o seu valor final estável.
Em um circuito RC o tempo de carga de um capacitor é dado por . Nessa expressão é o tempo de carga, a resistência do resistor e a capacitância do capacitor.
Circuitos elétricos Os elétrons não podem passar diretamente através do dielétrico de uma placa do capacitor para a outra. Quando uma tensão é aplicada a um capacitor, a corrente flui para uma das placas, carregando-a, enquanto flui da outra placa, carregando-a inversamente. Quando a carga no capacitor atinge seu valor máximo, a corrente no circuito é nula.
A fórmula corrente é dada por:
Onde I é a corrente fluindo na direção convencional, e dV/dt é a derivada da tensão, em relação ao tempo.
No caso de uma tensão contínua (DC ou também designada CC) logo um equilíbrio é encontrado, onde a carga das placas correspondem à tensão aplicada pela relação Q=CV, e nenhuma corrente mais poderá fluir pelo circuito. Logo a corrente contínua (DC) não pode passar. Entretanto, correntes alternadas (AC) podem: cada mudança de tensão ocasiona carga ou descarga do capacitor, permitindo desta forma que a corrente flua. A quantidade de "resistência" de um capacitor, sob regime AC, é conhecida como reatância capacitiva, e a mesma varia conforme varia a frequência do sinal AC. A reatância capacitiva é dada por:
Onde: XC = reatância capacitiva, medida em ohms; f = frequência do sinal AC, em hertz (Hz); C = capacitância medida em Farads F.
É denominada reatância pois o capacitor reage a mudanças na tensão, ou diferença de potencial.
Desta forma a reatância é proporcionalmente inversa à frequência do sinal. Como sinais DC (ou CC) possuem frequência igual a zero, a fórmula confirma que capacitores bloqueiam completamente a corrente aplicada diretamente, após um determinado tempo, em que o capacitor está carregando. Para correntes alternadas (AC) com frequências muito altas a reatância, por ser muito pequena, pode ser desprezada em análises aproximadas do circuito.
A impedância de um capacitor é dada por:
cujo j é o número imaginário.
Portanto, a reatância capacitiva é o componente imaginário negativo da impedância.
Em um circuito sintonizado tal como um receptor de rádio, a frequência selecionada é uma função da indutância (L) e da capacitância (C) em série, como dado em :
Essa é a frequência na qual a ressonância ocorre, em um circuito RLC em série.
Esfera condutora isolada Numa esfera condutora isolada, a carga acumula-se toda na superfície, e de forma uniforme, devido à simetria da esfera. Se a carga total na esfera for , a força sobre uma carga pontual a uma distância do centro da esfera, será igual à força que produziria uma carga pontual no centro da esfera. Assim, o campo elétrico produzido pela esfera é igual ao campo produzido por uma carga pontual com componente radial dada pela equação:
onde é a constante de Coulomb .
A energia potencial elétrica que terá uma carga pontual q quando for colocada na superfície da esfera, é dada pela equação onde é a diferença de potencial entre um ponto na superfície da esfera e um ponto no infinito, onde a esfera já não produz nenhuma energia potencial na carga .
Para calcular aplica-se a definição da diferença de potencial, usando um percurso de integração que segue a direção radial das linhas de campo:
o valor desse integral é também igual à área sombreada na figura abaixo:
thumb|center|600px|Esfera condutora de raio a, isolada, com carga Q, e gráfico do módulo do campo elétrico produzido por essa esfera
Portanto, a capacidade da esfera de raio a é:
Quanto maior for a esfera, maior será a sua capacidade. A capacidade não depende nem da carga armazenada na esfera, nem do potencial produzido por essa carga. A capacidade depende apenas do tamanho e da forma geométrica do condutor; neste caso apenas podia depender do raio da esfera.
Associação de capacitores Um sistema de capacitores pode ser substituído por um único capacitor equivalente. Nos casos em que os capacitores estejam ligados em série ou em paralelo, é fácil calcular a capacidade que deverá ter o capacitor equivalente.
A figura abaixo mostra dois capacitores ligados em série, entre os pontos A e B. Se os capacitores estiverem inicialmente descarregados, no momento em que for introduzida uma diferença de potencial entre os pontos A e B, circulará uma carga que entra pelo ponto a maior potencial (A na figura) e sai pelo ponto a menor potencial.
Na região central, que liga as duas armaduras comuns dos dois capacitores , são induzidas cargas e (a carga total nessa região é nula). Assim, a carga armazenada em cada um dos capacitores é a mesma.
thumb|center|600px|Capacitores Ligados em Série
A diferença de potencial entre os pontos A e B será a soma das diferenças de potencial em cada um dos capacitores :
Assim, o sistema é equivalente a um único capacitor com capacidade que verifica a equação:
A carga armazenada no capacitor equivalente é a mesma que em cada um dos capacitores em série.
A figura abaixo mostra um sistema de dois capacitores ligados em paralelo entre dois