Como um capacitor bloqueia DC?

Acho que ajudaria a entender como um capacitor bloqueia DC (corrente contínua) enquanto permite AC (corrente alternada).

Vamos começar com a fonte mais simples de DC, uma bateria:

Quando esta bateria está sendo usada para alimentar algo, elétrons são atraídos para o + lado da bateria e empurrou o – lado.

Vamos conectar alguns fios à bateria:

Ainda não há circuito completo aqui (os fios não vão a lugar nenhum), então não há fluxo de corrente.

Mas isso não significa que não houve qualquer fluxo atual. Veja, os átomos no metal do fio de cobre são formados por núcleos dos átomos de cobre, cercados por seus elétrons. Pode ser útil pensar no fio de cobre como íons de cobre positivos, com elétrons flutuando:

Observação: Eu uso o símbolo e ^– para representar um elétron

Em um metal, é muito fácil empurrar os elétrons. No nosso caso, temos uma bateria instalada. Ele é capaz de sugar alguns elétrons do fio:

O fio conectado ao lado positivo da bateria tem elétrons sugados para fora dela . Esses elétrons são então empurrados para fora do lado negativo da bateria para o fio conectado ao lado negativo.

É importante observar que a bateria não pode remover todos os elétrons. Os elétrons geralmente são atraídos pelos íons positivos que deixam para trás; por isso é difícil remover todos os elétrons.

No final, nosso fio vermelho terá uma leve carga positiva (porque está faltando elétrons), e o fio preto terá uma carga negativa leve (porque tem elétrons extras).

Então, quando você conecta pela primeira vez a bateria a esses fios, apenas um um pequeno bit de corrente fluirá. A bateria não é capaz de mover muitos elétrons, então a corrente flui muito brevemente e depois para.

Se você desconectou a bateria, inverteu-a e reconectou-a: elétrons no fio preto seriam sugados para dentro da bateria e empurrados para o fio vermelho. Mais uma vez, haveria apenas uma pequena quantidade de fluxo de corrente e então parava.

O problema de usar apenas dois fios é que não temos muitos elétrons para empurrar. O que precisamos é de um grande estoque de elétrons para brincar – um grande pedaço de metal. Isso é o que um capacitor é: um grande pedaço de metal preso às pontas de cada fio.

Com esse grande pedaço de metal, há muito mais elétrons que podemos empurrar facilmente. Agora o ” lado positivo “pode ter muito mais elétrons sugados dele, e o lado” negativo “pode ter muito mais elétrons empurrados para dentro dele:

Então, se você aplicar uma fonte de corrente alternada a um capacitor, parte dessa corrente poderá fluir, mas depois de um tempo ela funcionará fora dos elétrons para empurrar ao redor, e o fluxo irá parar. Isso é uma sorte para a fonte CA, uma vez que ela então reverte, e a corrente pode fluir mais uma vez.

Mas por que um capacitor avaliado em volts CC

Um capacitor não é apenas dois pedaços de metal. Outra característica do projeto do capacitor é que ele usa dois pedaços de metal muito próximos um do outro (imagine uma camada de papel encerado entre duas folhas de estanho).

A razão pela qual eles usam “folha de estanho” separada por “papel encerado” é porque eles querem que os elétrons negativos fiquem muito perto dos “buracos” positivos que deixaram para trás. Isso faz com que os elétrons sejam atraídos para os “buracos” positivos:

Porque os elétrons são negativos , e os “buracos” são positivos, os elétrons são atraídos para os buracos. Isso faz com que os elétrons permaneçam lá. Agora você pode remover a bateria e o capacitor realmente manterá essa carga.

É por isso que um capacitor pode armazenar uma carga; elétrons sendo atraídos para os buracos que deixaram para trás.

Mas esse papel encerado não é um isolante perfeito; ele vai permitir algum vazamento. Mas o verdadeiro problema surge se você tiver muitos elétrons empilhados. O campo elétrico entre as duas “ placas ” do capacitor pode realmente ficar tão intenso que causa a quebra do papel encerado, danificando permanentemente o capacitor:

Na realidade, um capacitor não é feito de folha de estanho e papel encerado (mais); eles usam materiais melhores. Mas ainda há um ponto, um ” tensão “, onde o isolador entre as duas placas paralelas quebra, destruindo o dispositivo. Este é o capacitor” nominal máximo DC voltagem.

Comentários

• +1 Uma ótima explicação, imagens e exemplos de construção.
• +1. Uma das melhores explicações que eu ‘ já li sobre capacitores.
• Uma boa explicação, mas não ‘ t responda à pergunta da OP ‘ s de maneira direta: Com CA, você tem uma variação instantânea na tensão. Em cada ponto da onda AC, a voltagem está variando e quando você tem um capacitor no ckt, esta mudança / variação na voltagem pode ser transmitida através do dielétrico para o outro lado / plat por meio de um campo elétrico de intensidade variável. Portanto, a corrente flui no circuito mesmo que o dielétrico seja um isolante para o fluxo de elétrons.
• você precisa pensar nisso em termos de ondas com elétrons / polarização molecular agindo como um meio / meio para as ondas.
• @Fennekin Capacitores não permitem que a corrente DC flua seja sozinho, ou conectado em série, ou conectado em paralelo. Mas, novamente, que ‘ está em estado estacionário. Ainda haverá uma onda inicial de alguma corrente; se eles estão conectados em série, paralelo ou sozinhos.

Deixe-me ver se posso adicionar mais uma perspectiva para as outras 3 respostas.

Os capacitores agem como um curto em altas frequências e um aberto em baixas frequências.

Então, aqui estão dois casos:

Capacitor em série com sinal

Nesta situação, o AC consegue passar, mas o DC está bloqueado. Isso é comumente chamado de capacitor de acoplamento.

Capacitor em paralelo com o sinal

Nesta situação, o DC é capaz de passar, mas o AC está em curto com o aterramento, fazendo com que seja bloqueado. Isso é comumente chamado de capacitor de desacoplamento.

O que é CA?

Usei os termos “High Freq” e “Low Freq” de forma bastante vaga, pois eles não têm nenhum número associado a eles. Fiz isso porque o que é considerado baixo e alto depende do que está acontecendo no resto do circuito. Se quiser saber mais sobre isso, você pode ler sobre os filtros passa-baixo na Wikipedia ou em algum de nossos Filtro RC perguntas.

Classificação da tensão

A voltagem que você vê com os capacitores é a voltagem máxima que você pode aplicar com segurança ao capacitor antes de começar a correr o risco de o capacitor quebrar fisicamente. Às vezes, isso acontece como uma explosão, às vezes incêndio ou às vezes apenas esquenta.

Comentários

• Kellen, agradeço seu uso de imagens, mas estou faltando uma resposta para a pergunta como o limite bloqueia DC. Você acabou de dizer que sim.
• @Stevenvh Eu senti que a confusão que o OP causou não era sobre a física de como ele bloqueia DC, mas sim por que ele é usado se bloqueia DC. Além disso, achei que sua resposta explicaria muito bem em um nível mais físico e não ‘ achei que poderia explicar essa parte melhor do que você.

A explicação está no fato de que cargas opostas se atraem. Um capacitor é uma construção compacta de 2 placas condutoras separadas por um isolador muito fino. Se você colocar o DC nele, um lado terá carga positiva e o outro lado negativo. Ambas as cargas se atraem, mas não conseguem passar pela barreira de isolamento. Não há fluxo de corrente. Portanto, esse é o fim da história para a DC.
Para a AC é diferente. Um lado será sucessivamente carregado positivamente e negativamente e atrairá cargas negativas e positivas respectivamente. Portanto, as mudanças em um lado da barreira provocam mudanças no outro lado, de modo que parece que as cargas cruzam a barreira, e essa corrente flui efetivamente através do capacitor.

Um capacitor carregado é sempre DC carregado, ou seja, um lado tem as cargas positivas e o outro lado as negativas. Essas cargas são um armazenamento de energia elétrica , que é necessário em muitos circuitos.

A tensão máxima é determinado pela barreira isolante. Acima de uma certa tensão, ele irá quebrar e criar um curto-circuito. Isso pode acontecer em DC, mas também em AC.

Uma maneira simples de pensar sobre isso é que um capacitor em série bloqueia CC, enquanto um capacitor paralelo ajuda a manter uma tensão constante.

Essas são duas aplicações do mesmo comportamento – um capacitor reage para tentar manter a tensão constante. No caso em série, é muito bom remover uma diferença de tensão constante, mas qualquer mudança abrupta em um lado será passada para o outro para manter a diferença de tensão constante. No caso paralelo, qualquer mudança abrupta na tensão será reagiu a.

Comentários

• boa resposta simples, parabéns

Esta não é uma resposta muito técnica, mas é “uma explicação gráfica que considero muito engraçada e simples:

Comentários

• Sim, ótimo, mas você ‘ obterá em apuros se você realmente tentar explicar esse caminho AC! 🙂
• @stevenvh sim, claro que sei ‘ sou um pouco estúpido, mas eu ‘ ve sempre achei inteligente 🙂
• É uma resposta estranha: D: D: D: D: D: D
• Na verdade, me ajudou muito a entender claramente o que é um capacitor. Obrigado!

A quantidade de carga que se desenvolve através das placas de um capacitor com uma dada tensão em seus terminais é governado pela fórmula:

\ $ Q = C \ times V \ $ (carga = capacitância * tensão)

Diferenciando ambos os lados (a corrente é a derivada do tempo de carga), dá:

\ $ I = C \ times \ dfrac {dV} {dt} \ $ (corrente = capacitância * a taxa de mudança na tensão)

Tensão DC é o mesmo que dizer \ $ \ dfrac {dV} {dt} = 0 \ $.

Portanto, um capacitor não permite que nenhuma corrente flua “através” dele para a tensão CC (ou seja, ele bloqueia CC).

A tensão através das placas de um capacitor também deve mudar de maneira contínua, então os capacitores têm o efeito de “manter” uma tensão uma vez que são carregados nela, até que a tensão pode ser descarregada por meio de uma resistência. Um uso muito comum para capacitores é, portanto, estabilizar as tensões dos trilhos e desacoplar os trilhos do solo.

A classificação de tensão é a quantidade de tensão que você pode aplicar nas placas antes que as forças eletrostáticas quebrem as propriedades do material do material dielétrico entre as placas, tornando-o quebrado como um capacitor :).

Minha resposta a essas perguntas é sempre “água ” Água fluindo através de canos é uma analogia surpreendentemente precisa para a corrente fluindo através de fios. Corrente é a quantidade de água que flui por um tubo. A diferença de tensão torna-se a diferença na pressão da água. Os canos devem ficar planos, para que a gravidade não desempenhe nenhum papel.

Nessa analogia, uma bateria é uma bomba dágua e um capacitor é um membrana de borracha que bloqueia completamente o tubo. DC é a água fluindo constantemente em uma direção através de um tubo. AC é a água fluindo para frente e para trás o tempo todo.

Com isso em mente, deve ser óbvio que um capacitor bloqueia DC: uma vez que a membrana só pode esticar até certo ponto, a água não pode simplesmente continuar fluindo na mesma direção. Haverá algum fluxo enquanto a membrana se estica (ou seja, o capacitor carrega), mas em um ponto ela se estica o suficiente para equilibrar completamente a pressão da água, bloqueando assim qualquer fluxo adicional. também fica óbvio que um capacitor não bloqueará a CA completamente, mas isso depende das propriedades da membrana.Se a membrana for suficientemente elástica (alta capacitância), não representará nenhum desafio para a água fluindo para frente e para trás rapidamente. Se a membrana for realmente bastante rígida (por exemplo, uma folha fina de plástico), isso corresponde a uma baixa capacitância, e se a água fluir para frente e para trás lentamente, esse fluxo será bloqueado, mas oscilações de frequência muito alta ainda conseguirão passar.

Esta analogia foi tão excepcionalmente útil para mim que realmente me pergunto por que não é usada de forma mais ampla.

Comentários

• Um amigo me ajudou a entender por que essa analogia não é usada de forma mais ampla: aparentemente, ele tem tão pouca intuição para o fluxo de água em canos quanto tem para o fluxo de corrente em fios!

Primeiro, um capacitor bloqueia DC e tem uma impedância menor para AC, enquanto um indutor tende a bloquear AC, mas passa DC com muita facilidade. significa que oferece uma alta impedância para o sinal de que estamos falando.

Primeiro, porém, precisamos definir alguns termos para explicar isso. Você sabe o que é resistência, certo? Resistência é a oposição ao fluxo de corrente que resulta na queima de energia, medida em watts. Não importa se a corrente é AC ou DC, a potência dissipada por um resistor perfeito é a mesma quantidade para ambos.

Portanto, a resistência é um tipo de “impedância” para o fluxo de corrente. Existem 2 outros – “reatância indutiva” e “reatância capacitiva”. Ambos também são medidos em ohms, como a resistência, mas ambos são diferentes porque, por um lado, variam com a frequência e, por outro, não consomem energia como uma resistência. Portanto, todos juntos, existem 3 tipos de impedância – resistiva, indutiva e capacitiva.

A quantidade de bloqueio ou impedância dos indutores em ohms pode ser determinada por:

$$ X_L = 2 \ pi fL $$

Onde 2pi é aproximadamente 6,28, f é a frequência (AC, obviamente) de um sinal, L é a indutância medida em Henry, e onde “X sub L” é a reatância indutiva em ohms.

Reatância indutiva é a impedância de um componente devido à indutância; é um tipo de resistência, mas na verdade não queima energia em watts como um resistor faz, e como “f” para frequência precisa ser fornecido, o valor disso varia com a frequência de um determinado indutor.

Observe que conforme a frequência aumenta, também aumenta a impedância (resistência CA) em ohms. E observe que, se a frequência for igual a zero, então, o mesmo acontece com a impedância – uma frequência zero significa CC, então os indutores praticamente não têm resistência ao fluxo de corrente CC. E conforme a frequência aumenta, a impedância também aumenta.

Os capacitores são o oposto – a fórmula para reatância capacitiva é

$$ X_C = \ frac {1} {2 \ pi fC} $$

Aqui, C é a capacitância do limite em farads, “2pi” e “f” são iguais aos anteriores e “X-sub-C” é a reatância capacitiva em ohms . Observe que aqui, a reatância é “um dividido pela” frequência e a capacitância – isso resulta em valores de impedância que diminuem com a frequência e a capacitância. Então, se a frequência for alta, a impedância será baixa, e se a frequência for próxima de zero, que é DC, a impedância será quase infinita – em outras palavras, os capacitores bloqueiam DC, mas passam AC, e quanto maior a freqüência de o sinal AC, menor será a impedância para ele.

Eu irei para a resposta qualitativa mais curta Abordagem à distância:

Um capacitor através dos trilhos DC está lá, de fato, para curto-circuitar quaisquer sinais AC que poderiam entrar nos trilhos de alimentação, então a quantidade de AC em seus > o circuito é reduzido.

A classificação de tensão em um limite é a tensão máxima (soma de CC e qualquer CA presente!) que o limite deve ver. Exceda esta tensão e o o limite falhará.