Capacitor

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Como a Carga e a Energia de um Capacitor São Calculadas

Um capacitor armazena energia elétrica como um campo elétrico entre duas placas condutoras, separadas por um isolante. Digite sua capacitância e a tensão em seus terminais, e esta calculadora encontra a energia armazenada e a carga elétrica que ele retém.

Quanto maior a capacitância de um capacitor e maior a tensão em seus terminais, mais energia e carga ele pode reter. A carga cresce diretamente com a tensão, mas a energia cresce com o quadrado da tensão — dobrar a tensão dobra a carga, mas quadruplica a energia armazenada.

A Fórmula

Carga: $Q = C \times V$
Energia: $E = 0.5 \times C \times V^2$

A capacitância é inserida em microfarads (µF), a unidade prática em que a maioria dos capacitores reais é realmente rotulada, já que um farad inteiro representa uma quantidade enorme de capacitância para um componente típico.

Exemplo Resolvido

Um capacitor de 100 µF carregado a 12 V:

Carga: 0,0001 × 12 = 0,0012 C, ou 1.200 µC.
Energia: 0,5 × 0,0001 × 12² = 0,0072 J, ou 7,2 mJ.

Carregar o mesmo capacitor a 24V em vez disso (tensão dobrada) dobraria a carga para 2.400 µC, mas quadruplicaria a energia armazenada para 28,8 mJ.

Principais Fatores a Considerar

Um capacitor tem uma tensão nominal máxima que nunca deve ser excedida. Exceder a tensão nominal de um capacitor pode fazer com que ele falhe, às vezes de forma dramática (capacitores eletrolíticos em particular podem se romper ou ventilar sob sobretensão) — sempre verifique a tensão nominal impressa antes de aplicar uma determinada tensão em um circuito real.
Um capacitor carregado pode reter uma carga perigosa mesmo depois que a energia é removida. Capacitores maiores, especialmente em tensões mais altas, podem reter energia armazenada suficiente para provocar um choque elétrico real bastante tempo depois de serem desconectados de uma fonte de energia — sempre trate um capacitor como potencialmente carregado até que se confirme que ele foi descarregado com segurança.
Capacitores em série e em paralelo se combinam de forma diferente dos resistores. A capacitância em paralelo soma diretamente (como resistores em série), enquanto a capacitância em série se combina pela fórmula do inverso da soma (como resistores em paralelo) — esta calculadora trata da energia e carga de um único capacitor, não de uma rede com vários capacitores.
Capacitores reais têm alguma resistência interna e vazamento, que esta fórmula ideal ignora. Um capacitor do mundo real perde lentamente parte da carga ao longo do tempo mesmo sem nenhum circuito externo conectado, e sua resistência interna afeta a rapidez com que ele realmente pode carregar ou descarregar — as fórmulas desta calculadora descrevem o capacitor ideal, de livro- texto.

Como Interpretar Seus Resultados

O valor de energia descreve a energia total armazenada, não a rapidez com que ela pode ser liberada. Diferente de uma bateria, que libera sua energia gradualmente ao longo de minutos ou horas, um capacitor pode liberar quase toda a sua energia armazenada em uma fração de segundo em caso de curto-circuito — por isso mesmo um valor modesto, na ordem de joules, obtido nesta calculadora representa um risco real, não apenas um número abstrato.
O valor da carga indica quanta corrente o capacitor pode fornecer, e por quanto tempo. Como corrente multiplicada pelo tempo equivale à carga, um valor de carga mais alto significa que o capacitor pode fornecer mais corrente pela mesma duração, ou a mesma corrente por mais tempo — útil ao dimensionar um capacitor destinado a suavizar a saída de uma fonte de alimentação ou a cobrir uma breve interrupção.
Deixe uma margem real abaixo da tensão que você insere. Se você está verificando um capacitor real em relação a um circuito, muitos engenheiros mantêm deliberadamente a tensão de operação em torno de 80% da tensão nominal impressa do capacitor, em vez de operar bem no limite — especialmente para os tipos eletrolíticos — já que picos de tensão e ondulação em um circuito real podem, momentaneamente, ultrapassar o que a tensão nominal impressa por si só sugeriria como seguro.

Bom Saber

Nunca descarregue um capacitor carregado curto-circuitando seus terminais com uma chave de fenda ou fio desencapado. Um capacitor grande ou de alta tensão — como os encontrados em fornos de micro-ondas, unidades de flash de câmeras, televisores de tubo (CRT) e fontes de alimentação — pode liberar toda a sua carga armazenada quase instantaneamente, produzindo um pico de corrente grande o suficiente para soldar metal, danificar o capacitor ou provocar uma faísca perigosa. A forma segura de descarregar um capacitor é gradualmente, por meio de um resistor dimensionado para limitar a corrente de descarga (frequentemente chamado de “resistor de sangria”), ou com uma ferramenta de descarga de capacitores feita especificamente para esse fim — nunca com um curto-circuito direto.

Fonte: Capacitor, um componente elétrico que armazena energia em um campo elétrico. Fonte: HyperPhysics: Armazenamento de Energia em um Capacitor.

Perguntas Frequentes

O que um capacitor realmente armazena?

Um capacitor armazena energia elétrica como um campo elétrico entre duas placas condutoras separadas por um isolante -- quanto maior sua capacitância e quanto maior a tensão em seus terminais, mais energia e carga ele retém.

Por que a energia cresce com o quadrado da tensão, mas a carga cresce apenas linearmente?

A carga (Q = C × V) é uma relação direta e linear -- dobre a tensão, dobre a carga. A energia (E = 0,5 × C × V²) depende do quadrado da tensão, porque é necessário cada vez mais trabalho para empurrar cada porção adicional de carga em placas que já estão mais carregadas (e, portanto, mais difíceis de empurrar) -- por isso dobrar a tensão quadruplica a energia armazenada.

Por que a capacitância é inserida em microfarads (µF)?

A maioria dos capacitores reais é rotulada em microfarads, nanofarads ou picofarads em vez de farads, já que um farad inteiro representa uma quantidade enorme de capacitância. Microfarad é a unidade prática mais comum para os capacitores de uso geral a que esta calculadora se destina.

Um capacitor carregado ainda pode ser perigoso depois de desconectado da energia?

Sim — capacitores maiores, especialmente em tensões mais altas, podem reter energia armazenada suficiente para provocar um choque elétrico real bastante tempo depois de serem desconectados de um circuito. Sempre trate um capacitor como potencialmente carregado até confirmar que ele foi descarregado com segurança.

O que acontece se eu exceder a tensão nominal de um capacitor?

Ele pode falhar, às vezes de forma dramática — capacitores eletrolíticos em particular podem se romper ou ventilar se sofrerem sobretensão. Sempre verifique a tensão nominal impressa em um capacitor e permaneça dentro dela antes de aplicar uma determinada tensão em um circuito real.

Em que isso é diferente de um indutor?

Um capacitor armazena energia em um campo elétrico, e sua energia depende do quadrado da tensão. Já um Calculadora de Indutor armazena energia em um campo magnético, e sua energia depende do quadrado da corrente -- os dois componentes são, de certa forma, imagens espelhadas um do outro.

Como descarregar um capacitor carregado com segurança?

Nunca curto-circuite diretamente os terminais de um capacitor carregado com uma chave de fenda ou fio desencapado -- isso pode liberar toda a carga armazenada quase instantaneamente, produzindo um pico de corrente perigoso. Em vez disso, descarregue-o gradualmente por meio de um resistor dimensionado para limitar a corrente (frequentemente chamado de "resistor de sangria"), ou use uma ferramenta de descarga de capacitores feita especificamente para esse fim.

Como capacitores em série e em paralelo se combinam?

A capacitância em paralelo soma diretamente (C_total = C1 + C2 + ...), da mesma forma que resistores em série. A capacitância em série se combina pela fórmula do inverso da soma (1/C_total = 1/C1 + 1/C2 + ...), da mesma forma que resistores em paralelo. Esta calculadora calcula a energia e a carga de um único capacitor, não de uma rede com vários capacitores.