Esses dias, navegando pela rede social Quora, me deparei com a seguinte pergunta: Existem capacitores variáveis? Para que servem?
Claro que existem. Os menores são chamados de trimmer e os maiores são chamados de capacitores variáveis e até vamos ver se dá para fazer um capacitor variável em casa. Esse o foco do artigo.
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Segue abaixo um resumão do artigo, abordando alguns detalhes da confecção do capacitor variável.
Um pouco de teoria: O que é um capacitor?
Antes de começarmos a responder a pergunta principal: “Existem capacitores variáveis e para que servem?”, é uma boa explicar brevemente como que duas placas metálicas separadas por um dielétrico conseguem formar um dos principais componentes da indústria eletrônica.
Considere a figura abaixo com o processo de carga e descarga de um capacitor:
A- As cargas elétricas presentes nas placas do capacitor se anulam quando o mesmo está descarregado. A tensão entre seus terminais é de 0 Volts.
B- No momento em que fechamos o circuito elétrico, surge uma corrente elétrica entre os terminais da bateria.
O polo positivo da bateria vai extraindo os elétrons de uma das placas do capacitor, deixando aquela placa carregada com carga positiva.
A outra placa do capacitor vai recebendo elétrons do polo negativo da bateria e ela acaba ficando com carga negativa.
C- Chega um ponto em que a bateria não consegue mais carregar o capacitor, a corrente tende a zero e a tensão entre os terminais do capacitor tende ser a tensão da bateria.
Precisa destacar aqui que embora exista corrente elétrica no processo de carga e descarga do capacitor, essa corrente não circula entre as placas do capacitor, haja visto que elas são isoladas entre si.
A corrente que circula é entre a placa do capacitor e o terminal da bateria e é somente o suficiente até o capacitor ser carregado. O equilíbrio da carga elétrica acontece de acordo com a tensão da bateria, o valor do capacitor e a resistência do circuito.
O tempo que demora para um capacitor a chegar a 63% da tensão que o está alimentando é dado pela fórmula:
D- À medida que o capacitor vai carregando, as cargas positivas e negativas vão se acumulando nas placas do capacitor e vão formando um campo elétrico.
Caso o interruptor seja desligado, o capacitor não irá perder sua carga elétrica, pois esse campo elétrico entre as placas do capacitor atrai as cargas positivas e negativas entre si, as mantendo dentro do capacitor. As cargas não conseguem se anular porque embora próximas e presas pelo campo elétrico, temos o dielétrico as separando.
É dessa forma que o capacitor consegue armazenar a carga elétrica.
E- Para descarregar o capacitor, basta colocar uma resistência entre os terminais do mesmo, representado pela lâmpada, abrindo caminho para que as cargas elétricas possam se anular.
Durante o processo de descarga do capacitor, a corrente elétrica irá correr no sentido inverso do qual ele foi carregado e o tempo para que a descarga do capacitor atinja 63% da tensão inicial, irá obedecer a regra τ=R*C.
Abaixo segue a curva característica mostrando o tempo de carga e descarga de um capacitor:
Como o capacitor variável é construido?
O capacitor variável é basicamente composto por duas placas metálicas, sendo que uma delas é móvel, separadas por um material isolante, chamado dielétrico.
As placas metálicas são construídas de maneira que fiquem próximas entre si, sem entrarem em curto circuito. Elas ficam separadas apenas pelo material isolante, o dielétrico.
Embora possam ser utilizados vários dielétricos, como filme de poliéster, mica e outros materiais isolantes, o modelo abaixo representa o capacitor variável com dielétrico a ar.
Ainda na figura abaixo, os elementos amarelo e rosa representam as placas do capacitor.
As placas rosas são interligadas entre si formando um bloco único, trabalhando como uma única superfície rosa. As placas amarelas também são interligadas entre si formando um bloco único, trabalhando como uma única superfície amarela. Esse tipo de construção permite que o capacitor fique mais compacto.
É o equivalente a duas placas grandonas, uma perto da outra.
O bloco da meia lua (amarelo), à medida que gira sobre o próprio eixo, é inserido entre o bloco das placas retangulares (rosa).
Quanto mais o bloco da meia lua estiver inserido entre as placas retangulares, maior será a capacitância medida entre os terminais do componente.
Conforme figura ampliada abaixo, pode-se observar que essas placas são separadas pelo dielétrico, que no caso é o ar.
Conforme dito:
- As placas amarelas são isoladas das placas rosas.
- As placas amarelas são interligadas entre si.
- As placas rosas são interligadas entre si.
- O ar entre as placas é o dielétrico.
Como calcular o valor de um capacitor?
Para calcular o valor de um capacitor precisa saber a área da placa que compõe o capacitor, a distância entre as placas do mesmo, bem como o valor da constante dielétrica.
A fórmula segue abaixo:
Observando a fórmula, temos um parâmetro chamado constante dielétrica “εr”
Esse valor depende do tipo de dielétrico utilizado. Para referência, segue abaixo uma tabela com o valor de algumas constantes dielétricas.
| Material | Constante dielétrica | Força dielétrica (V/m) |
| Vácuo | 1,00000 | — |
| Ar | 1,00059 | 3 × 10^6 |
| Baquelite | 4,9 | 24 × 10^6 |
| Quartzo fundido | 3,78 | 8 × 106 |
| Borracha de neoprene | 6,7 | 12 × 10^6 |
| Nylon | 3,4 | 14 × 10^6 |
| Papel | 3,7 | 16 × 10^6 |
| Poliestireno | 2,56 | 24 × 10^6 |
| Vidro Pirex | 5,6 | 14 × 10^6 |
| Óleo de silicone | 2,7 | 15 × 10^6 |
| Titanato de Strôncio | 233 | 8 × 10^6 |
| Teflon | 2,1 | 60 × 10^6 |
Fazendo um capacitor variável, só de zoa.
Ao ler a pergunta no Quora, me perguntei se seria possível montar um capacitor variável com os materiais que tenho disponíveis em mãos, sem utilizar nenhum material exótico. A ideia seria ver se dá para fazer e tentar medir alguma capacitância.
Fuçando minha caixa de sucata, achei uma placa 10x15cm de fibra de vidro, dupla face e resolvi a utilizar para montar os rotores de meu capacitor variável.
Para aumentar a capacitância ao máximo possível, resolvi que as placas deveriam ficar bem próximas entre si. Deveriam ficar encostadas =P.
Pintei as placas para as isolar e na montagem as lubrifiquei com óleo de silicone. A lubrificação com óleo de silicone, de acordo com a tabela de constante dielétrica, ajuda a aumentar a capacitância do componente.
Quanto ao cálculo do valor projetado para o capacitor, utilizei a técnica da moda antiga: “Faz primeiro, descobre o valor que deu. Depois e se precisar, faz as contas de um jeito que deem certo”.
Construindo o capacitor:
Eu montei um vídeo mostrando o processo de confecção do capacitor. Caso queira conferir, ele segue abaixo. Não esqueça de dar um like e se inscrever no canal. Em seguida tem alguns prints do vídeo.
Usando o FreeCad desenhei duas meia luas e as mandei cortar no CNC. Seguem alguns prints para referência:
Fontes:
Constante de tempo RC:
https://en.wikipedia.org/wiki/RC_time_constant
Capacitor variável no FreeCad foi colorido por mim e a fonte segue abaixo:
https://grabcad.com/library/air-variable-cap-single-stator-butterfly-1
Livro The Art of Electronics:
HOROWITZ, Paul; HILL, Winfield. The Art Of Electronics. 2. ed. Cambridge -uk: Cambridge University Press, 1989. 1152 p. ISBN 13: 9-780521-370950.
Lumens Learning – capacitores, campo elétrico e potencial elétrico:
PRESSBOOKS. Lumen Phisics: electric potential and electric field, capacitors and dielectrics. Electric Potential and Electric Field, capacitors and dielectrics. Disponível em: https://courses.lumenlearning.com/physics/chapter/19-5-capacitors-and-dielectrics/. Acesso em: 05 set. 2020.
Honeywell Automation – constante dielétrica:
HONEYWELL. Dielectric Constant Table. Industrial Automation and Control Solutions. Disponível em: https://www.honeywellprocess.com/library/marketing/tech-specs/Dielectric%20Constant%20Table.pdf. Acesso em: 05 set. 2020.
Meu website
https://nets-nuts.com.br/eletronica/capacitor-variavel-feito-em-casa-sera-que-funciona/
Meu perfil no Quora:
https://pt.quora.com/Existem-capacitores-vari%C3%A1veis-Para-que-servem/answer/Renato-Pierri
Publicado em 10/09/2020 por Renato de Pierri nesse site e em seu perfil no Quora.