Capacitores

Guia de estudo · Revisado em 02/10/2026

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O flash do celular dispara em um milésimo de segundo uma luz que a bateria sozinha não conseguiria dar; o desfibrilador implantado sob a pele de um cardíaco guarda 20 J e os despeja no coração em um milissegundo; o teclado do laptop sabe que o dedo chegou antes mesmo de ele apertar. Nos três casos há um componente que não é pilha nem resistor: duas placas separadas por um isolante, que acumulam carga separada e a devolvem quando se pede. Como um objeto tão simples guarda energia, de que depende quanto ele guarda, o que muda quando se enfia um isolante entre as placas e por que, num circuito de corrente contínua, ele se comporta como um fio aberto depois de carregado?

O que você vai aprender

  • Definir capacitância como a razão entre a carga de uma placa e a tensão entre as placas (C = Q/U, em farad), reconhecer que ela é uma propriedade geométrica do capacitor, não da carga nem da tensão aplicadas, e situar as ordens de grandeza usuais (picofarad a farad).
  • Escrever a capacitância do capacitor de placas paralelas, C = ε₀A/d, e prever como ela muda com a área das placas, com a separação e com o dielétrico (C = κε₀A/d).
  • Usar o campo uniforme entre as placas, E = U/d, e a equivalência V/m = N/C para calcular força, trabalho e energia cinética de uma carga lançada ou solta entre as placas, convertendo milímetros e centímetros para metros antes de dividir.
  • Distinguir o capacitor isolado (carga fixa) do capacitor ligado à fonte (tensão fixa) ao inserir um dielétrico ou afastar as placas, e prever o sentido da variação de Q, U, E, C e da energia em cada caso.
  • Calcular a energia armazenada por um capacitor nas três formas equivalentes (½QU, ½CU², ½Q²/C), reconhecer essa energia como a área sob a reta do gráfico Q × U e explicar por que não é QU.
  • Associar capacitores em série (mesma carga, inversos das capacitâncias se somam) e em paralelo (mesma tensão, capacitâncias se somam) e comparar com as regras dos resistores.
  • Analisar um capacitor num circuito de corrente contínua em regime permanente: corrente nula no ramo do capacitor, tensão igual à do trecho que ele vê, correntes redistribuídas nos outros ramos; um resistor em série com o capacitor carregado não muda nada.
  • Descrever qualitativamente a carga e a descarga de um capacitor através de um resistor: corrente máxima U/R no instante inicial, tensão do capacitor subindo até a da fonte, constante de tempo τ = RC, cerca de 63 % em τ e 99 % em 5τ, sentido invertido da corrente na descarga, e ler esses fatos num gráfico.
  • Explicar as aplicações pelo modelo: flash fotográfico e desfibrilador (energia guardada devagar, liberada depressa), filtro de fonte (o capacitor sustenta a tensão), teclado e tela capacitivos (o dedo muda C), supercapacitores (farads inteiros) e a Jarra de Leiden como o primeiro capacitor, cuja história fica na página própria.
  • Resolver os itens reais do PAS/UnB sobre o assunto (bloco RC de 2024 com duas chaves, urna eletrônica de 2019, desfibrilador de 2018, osso dielétrico de 2008, amônia no capacitor de 2018, elétron entre placas de 2016, placas de 2012, gotas de tinta de 2010 e a nuvem como capacitor de 2024), evitando os erros de 'nenhuma corrente no circuito' quando só o ramo do capacitor zera, de dividir a tensão por centímetros e de dobrar a energia em vez de quadruplicá-la ao dobrar a tensão.

O flash do celular acende por um milésimo de segundo uma luz que a bateria, sozinha, não conseguiria dar: a bateria é boa em fornecer energia devagar, por horas, e péssima em despejá-la num instante. O desfibrilador implantado sob a pele de um cardíaco guarda uns 20 J durante minutos e os entrega ao coração em um milissegundo, 20 kW de potência saindo de um aparelho do tamanho de uma caixa de fósforos. O teclado do laptop percebe que o dedo chegou à tecla antes de ela chegar ao fundo, e a tela do celular sabe onde o dedo está sem ninguém apertar nada. Nos três casos trabalha um componente que não é pilha nem resistor: duas superfícies condutoras separadas por um isolante, que acumulam carga elétrica separada, positiva de um lado e negativa do outro, e a devolvem quando o circuito pede. É o capacitor, e o que ele faz tem um nome de família: ele guarda energia no campo elétrico que nasce entre as duas placas.

Esta é a página do capacitor. Ela define a capacitância como a razão entre a carga guardada e a tensão entre as placas, mostra que no capacitor de placas paralelas essa razão é uma questão de geometria (C=ε0A/dC = \varepsilon_0 A/d), usa o campo uniforme entre as placas (E=U/dE = U/d) para resolver os itens de carga lançada entre placas, explica o que o isolante entre as placas faz com o campo e com a capacitância, deduz a energia armazenada a partir do gráfico Q×UQ \times U, associa capacitores em série e em paralelo e, por fim, coloca o capacitor dentro de um circuito de corrente contínua: carregado, ele é um ramo aberto; enquanto carrega ou descarrega através de um resistor, a corrente nasce máxima e morre num tempo marcado pela constante τ=RC\tau = RC. No PAS/UnB o assunto é da 3.ª etapa: o circuito com resistor, capacitor e duas chaves (2024, itens 99 a 102), o capacitor acrescentado à urna eletrônica (2019, item 91), o desfibrilador implantável (2018, itens 112 a 114), o osso como dielétrico (2008, item 102), a amônia dentro do capacitor (2018, item 33), o elétron lançado entre as placas (2016, itens 117 e 118), as placas a 2 cm e 5 V (2012, item 47), as gotas de tinta da impressora (2010, item 28) e a nuvem e o solo como placas (2024, item 40). A página pressupõe o campo elétrico, o potencial elétrico e a corrente elétrica; usa a associação de resistores e o gerador real como vizinhos. O campo e o potencial em geral, as equipotenciais e os condutores em equilíbrio ficam nas páginas próprias; circuitos com duas ou mais fontes ficam na página de leis de Kirchhoff, em construção; a Jarra de Leiden aparece aqui só como o primeiro capacitor, e sua história fica para a página de história da eletricidade.

Um capacitor guarda carga separada, e a capacitância diz quanta cabe por volt

Pegue duas chapas de metal, deixe-as frente a frente sem se tocar e ligue cada uma a um polo de uma pilha. A pilha puxa elétrons de uma chapa e os empurra para a outra: a primeira fica com carga +Q+Q, a segunda com −Q-Q. O conjunto continua neutro, a carga total é zero, mas a carga está separada, e separá-la custou energia à pilha. Entre as chapas nasce um campo elétrico, que sai da positiva e chega à negativa, e com ele uma diferença de potencial UU, que cresce até igualar a tensão da pilha; aí a corrente para, porque a pilha não consegue mais empurrar carga contra a tensão que ela mesma criou. Desligue a pilha e as cargas ficam onde estão, presas pela atração mútua e separadas pelo isolante. Esse é o capacitor: duas armaduras (as placas) e um isolante entre elas, o dielétrico, que pode ser o ar, o vácuo, um papel, um plástico, uma cerâmica ou um óxido de alguns nanômetros.

Quando se diz que o capacitor “está carregado com carga QQ”, QQ é a carga de uma das placas, em módulo. A outra tem −Q-Q. O experimento mostra uma coisa simples: dobre a tensão da pilha e a carga que cada placa aceita dobra; triplique, triplica. Carga e tensão são proporcionais, e a constante de proporcionalidade é a capacitância.

Capacitância

C=QUC = \frac{Q}{U}

QQ é a carga de uma das armaduras (em coulomb), UU a diferença de potencial entre elas (em volt) e CC a capacitância, em farad (F): 1 F=1 C/V1\ \text{F} = 1\ \text{C/V}. A capacitância é uma propriedade do capacitor, decidida pela geometria das placas e pelo isolante entre elas; ela não depende de QQ nem de UU. Dobrar a tensão dobra a carga e deixa CC onde estava, do mesmo modo que a capacidade de uma garrafa não muda quando se enche metade dela. Ler C=Q/UC = Q/U como “a carga que cabe por volt” é o jeito certo: um capacitor de 100 µF guarda 100 µC a cada volt aplicado.

Um farad é uma capacitância enorme. Guardar 1 C com apenas 1 V exigiria, com placas no ar separadas por 1 mm, uma área de cem quilômetros quadrados. Por isso a eletrônica vive nos submúltiplos: picofarad (10−1210^{-12} F) nos circuitos de rádio, nanofarad (10−910^{-9} F) nos filtros, microfarad (10−610^{-6} F) nas fontes e nos flashes. Os capacitores de farads inteiros existem, chamam-se supercapacitores e usam uma geometria que não é a de placas: eletrodos porosos com área interna de milhares de metros quadrados e uma camada de íons de alguns nanômetros fazendo de dielétrico.

capacitor capacitância típica tensão de trabalho para que serve
cerâmico de rádio 10 pF a 10 nF 50 V sintonia, acoplamento
de filme plástico 1 nF a 10 µF centenas de volts filtros, motores
eletrolítico de fonte 10 µF a 10 mF 6 a 450 V sustentar a tensão da fonte
do flash de câmera 100 a 300 µF 300 V disparar a lâmpada
do desfibrilador externo 30 a 100 µF 2 a 5 kV descarga no tórax
supercapacitor 1 a 3 000 F 2,7 V partida, frenagem regenerativa

As duas últimas linhas da tabela mostram algo que o resto da página vai explicar: o capacitor de flash e o do desfibrilador têm capacitância modesta e tensão alta; o supercapacitor tem capacitância gigantesca e tensão de uma pilha. Quem guarda mais energia não é necessariamente quem tem mais farads, porque a energia cresce com o quadrado da tensão.

No capacitor de placas, a geometria decide tudo: C = ε₀A/d

Por que a capacitância é propriedade da geometria? Olhe para o capacitor mais simples, duas placas planas e paralelas de área AA separadas por uma distância dd pequena diante do tamanho das placas, com vácuo (ou ar) entre elas. A carga +Q+Q se espalha pela face interna de uma placa e −Q-Q pela face interna da outra, e o campo entre elas é uniforme: mesma intensidade e mesma direção em todo ponto, as linhas de campo são segmentos paralelos entre si que atravessam o vão de uma placa à outra, e fora do vão o campo é praticamente nulo. A intensidade desse campo é proporcional à carga por unidade de área das placas, σ=Q/A\sigma = Q/A:

E=σε0=Qε0A,E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} = \frac{Q}{\varepsilon_0 A},

em que ε0=8,85×10−12\varepsilon_0 = 8{,}85 \times 10^{-12} F/m é a permissividade do vácuo (a mesma constante da lei de Coulomb, escrita de outro jeito: k=1/4πε0k = 1/4\pi\varepsilon_0). Num campo uniforme, a queda de potencial é a mesma em cada metro de linha de campo atravessado, de modo que a diferença de potencial entre as placas é campo vezes distância:

U=E d=Q dε0A.U = E\,d = \frac{Q\,d}{\varepsilon_0 A}.

Agora divida QQ por UU:

C=QU=ε0Ad.C = \frac{Q}{U} = \frac{\varepsilon_0 A}{d}.

A carga sumiu da fórmula, como tinha de sumir. O que sobrou é área, distância e uma constante da natureza. Placas maiores guardam mais carga por volt (mais lugar para a carga se espalhar); placas mais próximas também (a atração entre +Q+Q e −Q-Q é maior e a mesma carga produz menos tensão). O ar entre as placas, por enquanto; o isolante muda a constante, e é o assunto da próxima seção.

Capacitor de placas paralelas e o campo uniforme

C=ε0AdE=UdQ=C UC = \frac{\varepsilon_0 A}{d} \qquad E = \frac{U}{d} \qquad Q = C\,U

AA é a área de uma placa (m²), dd a separação (m) e ε0=8,85×10−12\varepsilon_0 = 8{,}85 \times 10^{-12} F/m. O campo entre as placas é uniforme, aponta da placa positiva para a negativa e vale E=U/dE = U/d, em volt por metro, que é a mesma unidade de newton por coulomb: 1 V/m=1 N/C1\ \text{V/m} = 1\ \text{N/C}. Sobre uma carga qq posta entre as placas age uma força de módulo fixo, F=∣q∣EF = |q|E, dirigida à placa cujo sinal é contrário ao dela; se a carga cruza o vão inteiro, a força elétrica realiza sobre ela o trabalho W=∣q∣UW = |q|U. Entrando com velocidade paralela às placas, a carga segue uma parábola, como um projétil: nada a acelera ao longo das placas, e na direção do campo a aceleração é constante, a=∣q∣E/ma = |q|E/m.

Um exemplo com números para sentir a escala. Duas placas quadradas de 1 m de lado, a 1 mm uma da outra, no ar: C=8,85×10−12×1/10−3=8,85×10−9C = 8{,}85 \times 10^{-12} \times 1/10^{-3} = 8{,}85 \times 10^{-9} F, cerca de 9 nF. Ligadas a 12 V, guardam Q=CU=8,85×10−9×12≈1,1×10−7Q = CU = 8{,}85 \times 10^{-9} \times 12 \approx 1{,}1 \times 10^{-7} C, um décimo de microcoulomb, e o campo entre elas é E=12/0,001=12 000E = 12/0{,}001 = 12\,000 V/m. Um metro quadrado de placa para nove nanofarads: é por isso que os capacitores de verdade enrolam folhas de alumínio e plástico em cilindros, ou empilham dezenas de camadas de cerâmica, para multiplicar a área sem ocupar espaço.

Esquema de um capacitor de placas paralelas visto de lado: duas placas verticais, a da esquerda marcada com sinais positivos e a carga +Q, a da direita com sinais negativos e a carga −Q, separadas por uma distância d indicada por uma seta de duas pontas; entre elas, linhas de campo retas, paralelas e igualmente espaçadas apontam da placa positiva para a negativa, com o rótulo E igual a U sobre d; acima, a área A de uma placa está indicada, e abaixo um voltímetro ligado às duas placas marca a tensão U; à direita, uma carga negativa pequena sofre uma seta de força apontando para a placa positiva, contra o campo.
O capacitor de placas paralelas: carga +Q+Q numa placa, −Q-Q na outra, campo uniforme E=U/dE = U/d entre elas e capacitância C=ε0A/dC = \varepsilon_0 A/d, que só depende da área, da distância e do isolante. Uma carga negativa entre as placas é empurrada contra o campo, para a placa positiva. Diagrama autoral.

O campo uniforme entre placas é o cenário preferido dos itens com carga lançada, porque tudo se resume a dividir dois números e aplicar uma força constante. No item 118 da 3.ª etapa de 2016, um elétron entra entre as placas de um capacitor com separação h=10h = 10 mm e tensão VAB=30V_{AB} = 30 V entre elas; o item afirma que o campo é “inferior a 1.000 V/m”. A conta é E=30/0,010=3 000E = 30/0{,}010 = 3\,000 V/m, errado. Quem deixa hh em milímetros acha 3 V/m e marca certo por engano: a conversão vem antes da divisão. No item 117 do mesmo bloco, o elétron tinha sido acelerado antes por 500 V, e a pergunta é se sua velocidade passa de 0,01c0{,}01c: a energia que 500 V dão a um elétron vira energia cinética, 12mv2=eU\tfrac{1}{2} m v^2 = eU, logo v=2(e/m)U=2×1,75×1011×500≈1,3×107v = \sqrt{2 (e/m) U} = \sqrt{2 \times 1{,}75 \times 10^{11} \times 500} \approx 1{,}3 \times 10^{7} m/s, e 0,01c=3×1060{,}01c = 3 \times 10^{6} m/s: maior, certo. Em 2012 o modelo veio puro: placas a 2 cm com 5 V dão E=5/0,02=250E = 5/0{,}02 = 250 V/m =250= 250 N/C, e a banca enunciou o resultado em N/C, embora os dados viessem em volts e centímetros: um só item cobrava a conversão de unidade e a equivalência V/m = N/C (item 47, certo).

As placas defletoras da impressora de 2010 (item 28, tipo B) transformam a parábola numa conta: gotas de 1,5×10−101{,}5 \times 10^{-10} kg entram a 20 m/s entre placas quadradas de lado L=1,7L = 1{,}7 cm onde o campo vale 10310^{3} N/C, e a pergunta é que diferença de carga separa duas gotas por 0,9 mm na saída. O tempo entre as placas é t=L/v=0,017/20=8,5×10−4t = L/v = 0{,}017/20 = 8{,}5 \times 10^{-4} s; cada gota sofre o desvio y=12(qE/m)t2y = \tfrac{1}{2}(qE/m)t^2; duas gotas de cargas diferentes, portanto, se separam de Δy=12(Δq E/m)t2\Delta y = \tfrac{1}{2}(\Delta q\,E/m)t^2. Isolando, Δq=2m Δy/(Et2)=2×1,5×10−10×9×10−4/(103×7,2×10−7)≈3,7×10−10\Delta q = 2m\,\Delta y/(E t^2) = 2 \times 1{,}5 \times 10^{-10} \times 9 \times 10^{-4}/(10^{3} \times 7{,}2 \times 10^{-7}) \approx 3{,}7 \times 10^{-10} C =373= 373 pC. O capacitor, aqui, é só o lugar onde o campo é uniforme; a física é a de um projétil com gg trocado por qE/mqE/m.

O milímetro, o centímetro e o quilômetro

E=U/dE = U/d só aceita dd em metros. O item de 2016 armou 10 mm (resposta certa 3 000 V/m, não 3); o de 2012 armou 2 cm (250 V/m, não 2,5); o de 2024 armou 1 km entre a nuvem e o solo com 100 milhões de volts: E=108/103=105E = 10^{8}/10^{3} = 10^{5} V/m, e o “cerca de 100 V/m” do item ficava três potências de dez abaixo do valor correto, um erro montado com os próprios números do texto. Converta antes de dividir, e lembre que V/m e N/C são a mesma unidade.

Um detalhe da figura de 2018 (item 115): dois pontos aa e bb num plano paralelo às placas têm o mesmo potencial: andar paralelamente às placas é andar perpendicularmente ao campo, e nessa direção o potencial não varia. Levar um elétron de aa a bb não custa trabalho à força elétrica: certo. Entre as placas, as equipotenciais são planos paralelos a elas, igualmente espaçados, e, de uma placa à outra, cada metro de percurso desconta EE volts do potencial.

O dielétrico enfraquece o campo e multiplica a capacitância

Agora enfie um isolante entre as placas: vidro, papel, plástico, um osso seco. O isolante não tem elétrons livres, mas suas moléculas respondem ao campo. Umas são polares (como a água e a amônia, com um lado positivo e um negativo) e giram para alinhar o lado negativo com a placa positiva; outras são apolares e se deformam, com a nuvem de elétrons puxada para o lado da placa positiva. O resultado é o mesmo: a face do isolante voltada para a placa positiva fica negativa, a voltada para a negativa fica positiva. Essas cargas de polarização criam dentro do isolante um campo contrário ao das placas, e o campo resultante entre as placas fica menor. O fator pelo qual ele diminui é a constante dielétrica κ\kappa do material.

Dielétrico e constante dielétrica

Com um dielétrico de constante κ\kappa preenchendo o espaço entre as placas, para a mesma carga QQ:

E=E0κU=U0κC=κ C0=κ ε0Ad.E = \frac{E_0}{\kappa} \qquad U = \frac{U_0}{\kappa} \qquad C = \kappa\,C_0 = \frac{\kappa\,\varepsilon_0 A}{d}.

κ\kappa é adimensional e vale 1 no vácuo, 1,0006 no ar, cerca de 2 a 3 nos plásticos, 3,7 no papel, 5 a 10 no vidro, 6 no osso seco, 80 na água e milhares em cerâmicas especiais. O dielétrico faz três serviços ao capacitor: multiplica a capacitância por κ\kappa, segura as placas separadas a uma distância dd pequena e suporta campos maiores que o ar antes de “romper” (a rigidez dielétrica), o que permite tensões de trabalho mais altas.

O que acontece com cada grandeza ao inserir o dielétrico depende de uma pergunta que vale item: o capacitor está isolado (desligado da fonte, carga presa) ou ligado à fonte (tensão imposta)? São dois filmes diferentes com a mesma fórmula.

grandeza capacitor isolado (carga fixa) capacitor ligado à fonte (tensão fixa)
capacitância CC multiplica por κ\kappa multiplica por κ\kappa
carga QQ não muda multiplica por κ\kappa (a fonte manda mais carga)
campo EE divide por κ\kappa não muda (E=U/dE = U/d)
tensão UU divide por κ\kappa não muda
energia armazenada divide por κ\kappa (o dielétrico é puxado para dentro) multiplica por κ\kappa (a fonte paga)

O item 102 da 3.ª etapa de 2008 é a primeira coluna: “caso se insira um osso seco, de constante dielétrica 6, entre as placas de um capacitor rígido e isolado, a diferença de potencial entre as placas aumentará 6 vezes”. Isolado é carga fixa; o osso enfraquece o campo seis vezes e, com ele, a tensão U=EdU = Ed cai a um sexto. Aumentar seis vezes é o contrário: errado. Se o capacitor estivesse ligado a uma fonte, a tensão nem mudaria; o que subiria seis vezes seria a carga. A banca escolheu a palavra “isolado” de propósito, e é ela que decide o item.

A amônia dentro do capacitor, no item 33 de 2018 (tipo C), é a polarização desenhada. O gás está entre placas carregadas com ±Q\pm Q, e as opções mostravam as moléculas de NH₃ em quatro arranjos: todas com o nitrogênio voltado para a placa positiva; todas com o nitrogênio voltado para a negativa; todas com o nitrogênio apontando paralelamente às placas; e orientações aleatórias. A molécula de amônia é polar, com o nitrogênio no lado negativo (ele concentra o par de elétrons não ligante) e os três hidrogênios no lado positivo. O campo das placas alinha os dipolos com o lado negativo voltado para a placa positiva: nitrogênio para +Q+Q, hidrogênios para −Q-Q, opção A. A orientação aleatória seria o gás sem campo; a paralela às placas, um dipolo perpendicular ao campo, que o torque do campo não deixa em paz.

Dois capacitores de placas lado a lado com a mesma carga mais Q e menos Q. À esquerda, com vácuo entre as placas, seis linhas de campo densas e o rótulo do voltímetro marcando U zero. À direita, um bloco de dielétrico preenche o espaço entre as placas; dentro dele, pequenos dipolos desenhados como elipses com extremidade negativa voltada para a placa positiva e positiva voltada para a placa negativa, cargas de polarização nas faces do bloco, apenas duas linhas de campo atravessando, o rótulo E igual a E zero sobre kappa e o voltímetro marcando U zero sobre kappa; abaixo, a legenda capacitância kappa vezes C zero.
Mesma carga, dois capacitores: o dielétrico se polariza, suas faces ganham cargas contrárias às das placas e o campo resultante cai a E0/κE_0/\kappa. Com o capacitor isolado, a tensão cai junto e a capacitância sobe a κC0\kappa C_0; ligado à fonte, a tensão fica, e é a carga que sobe. Diagrama autoral.
Isolado ou ligado à fonte?

Antes de dizer o que acontece com QQ, UU ou EE ao inserir um dielétrico ou afastar as placas, decida o que está fixo. Isolado: QQ fixa, U=Q/CU = Q/C varia ao contrário de CC. Na fonte: UU fixa, Q=CUQ = CU varia junto com CC. O item do osso de 2008 cai em quem pula essa pergunta. E o mesmo vale para afastar as placas de um capacitor isolado: CC cai, U=Q/CU = Q/C sobe, E=Q/(ε0A)E = Q/(\varepsilon_0 A) não muda, e a energia aumenta, porque alguém fez trabalho para separar placas que se atraem.

A rigidez dielétrica fecha a seção. Todo isolante tem um campo máximo que suporta: acima dele, elétrons são arrancados das moléculas, o material vira condutor e o capacitor “fura”, com uma faísca entre as placas. Para o ar seco esse limite é cerca de 3×1063 \times 10^{6} V/m; os filmes plásticos e as cerâmicas dos capacitores suportam campos várias vezes maiores. É daí que vem a tensão de trabalho impressa no corpo do capacitor: com d=10d = 10 µm de plástico que aguenta 2×1072 \times 10^{7} V/m, a tensão máxima é Emaˊx d=200E_{\text{máx}}\,d = 200 V. Ligar um capacitor de 25 V em 300 V não o carrega mais: fura o dielétrico.

A energia armazenada é a área do gráfico Q × U

Carregar um capacitor custa trabalho, e o jeito mais honesto de contá-lo é acompanhar o gráfico da carga contra a tensão. Como Q=CUQ = CU, o gráfico Q×UQ \times U é uma reta pela origem com inclinação CC. Para levar a primeira porção de carga de uma placa à outra, não custa quase nada: a tensão ainda é zero. A última porção custa caro: ela atravessa a tensão final UU inteira. Em média, cada porção Δq\Delta q atravessa metade da tensão final, e o trabalho total é a área sob a reta, um triângulo de base UU e altura QQ:

W=12 Q U.W = \frac{1}{2}\,Q\,U.

Esse trabalho fica guardado no campo elétrico entre as placas, e volta inteiro quando o capacitor descarrega. Substituindo Q=CUQ = CU ou U=Q/CU = Q/C, a mesma energia se escreve de três maneiras, e a prova usa a que tiver as grandezas que o enunciado deu.

Energia armazenada no capacitor

Ecap=12 Q U=12 C U2=Q22CE_{\text{cap}} = \frac{1}{2}\,Q\,U = \frac{1}{2}\,C\,U^{2} = \frac{Q^{2}}{2C}

É a área do triângulo sob a reta do gráfico Q×UQ \times U. O fator 12\tfrac{1}{2} existe porque a tensão cresce de zero até UU enquanto a carga é transferida: nenhuma porção de carga atravessou a tensão final inteira, só a última. Escrever QUQU é esquecer isso e dobrar a energia. Na forma 12CU2\tfrac{1}{2}CU^2, dobrar a tensão quadruplica a energia; na forma Q2/2CQ^2/2C, com carga fixa, um capacitor menor guarda mais energia (foi o que aconteceu ao afastar as placas).

Gráfico da carga Q no eixo vertical em função da tensão U no eixo horizontal para um capacitor de 10 microfarads: reta pela origem com inclinação C que chega ao ponto U igual a 2 000 volts e Q igual a 20 milicoulombs; o triângulo sob a reta está sombreado e rotulado energia igual a meio Q U igual a 20 joules; ao lado, um retângulo tracejado de mesma base e altura, rotulado Q U igual a 40 joules, mostra o erro de esquecer o meio; marcas em 1 000 volts e 10 milicoulombs indicam a energia de 5 joules, um quarto da total.
O gráfico Q×UQ \times U é uma reta de inclinação CC. A energia armazenada é a área do triângulo, 12QU\tfrac{1}{2}QU: com 10 µF e 2 000 V, 20 J, os números do desfibrilador da prova de 2018. O retângulo QUQU seria o dobro, e é o erro clássico; a metade da tensão guarda um quarto da energia. Diagrama autoral.

Os números do gráfico são os do desfibrilador implantável do item 113 de 2018: capacitor de 10 µF carregado por uma fonte de 2 kV. A energia é 12×10−5×(2×103)2=12×10−5×4×106=20\tfrac{1}{2} \times 10^{-5} \times (2 \times 10^{3})^{2} = \tfrac{1}{2} \times 10^{-5} \times 4 \times 10^{6} = 20 J, “inferior a 50 J”: certo. O item 112 do mesmo bloco deu os 20 J de presente e perguntou pela potência da descarga, se ela durar um milissegundo: P=20/10−3=20 000P = 20/10^{-3} = 20\,000 W =20= 20 kW, e a afirmação “superior a 30 kW” é falsa. Vinte quilowatts, por um milissegundo, de um aparelho sob a pele: é o capacitor fazendo o que a bateria não faz, trocar duração por potência. A energia, 20 J, é modesta, a de uma lâmpada de 20 W durante um segundo; o que impressiona é a taxa.

Um segundo exemplo, do flash: 200 µF a 300 V guardam 12×2×10−4×9×104=9\tfrac{1}{2} \times 2 \times 10^{-4} \times 9 \times 10^{4} = 9 J. Descarregados em 1 ms na lâmpada de xenônio, dão 9 kW de pico. A bateria do celular, de 3,8 V, não conseguiria entregar 9 kW nem por um instante, porque sua resistência interna limita a corrente; por isso o circuito do flash gasta uns segundos elevando a tensão e enchendo o capacitor devagar, e depois esvazia tudo de uma vez. O supercapacitor faz o oposto: 3 000 F a 2,7 V guardam 12×3 000×7,29≈11\tfrac{1}{2} \times 3\,000 \times 7{,}29 \approx 11 kJ, mais ou menos a energia de uma pilha AA, numa lata do tamanho de uma lata de refrigerante, mas com a vantagem de encher e esvaziar em segundos, milhares de vezes, sem química que se desgaste.

Dobrar a tensão não dobra a energia

E=12CU2E = \tfrac{1}{2}CU^2: tensão em dobro, energia em quádruplo; tensão pela metade, energia num quarto. Um item que diga “carregado com metade da tensão, o capacitor guarda metade da energia” está errado. Já a carga é proporcional à tensão: metade da tensão, metade da carga. A prova gosta de misturar as duas proporcionalidades na mesma frase.

Metade da energia da fonte se perde ao carregar

Quando uma fonte de tensão UU carrega um capacitor através de um resistor, a fonte fornece a carga QQ sob a tensão fixa UU, isto é, entrega energia QUQU. O capacitor fica com 12QU\tfrac{1}{2}QU. A outra metade vira calor no resistor, e o mais estranho é que a fração não depende do valor da resistência: com um resistor grande, a corrente é pequena por muito tempo; com um pequeno, grande por pouco tempo; o calor total é o mesmo, 12QU\tfrac{1}{2}QU. É um dos motivos pelos quais os circuitos que carregam capacitores muitas vezes por segundo (os conversores das fontes chaveadas) usam indutores no caminho em vez de resistores.

Série divide a tensão, paralelo divide a carga

Dois capacitores podem ser ligados de dois jeitos, e as regras são as dos resistores com os papéis trocados.

Em paralelo, as duas placas de cima estão no mesmo fio e as duas de baixo também: os dois capacitores têm a mesma tensão UU, e cada um guarda sua carga, Q1=C1UQ_1 = C_1 U e Q2=C2UQ_2 = C_2 U. A fonte vê um só capacitor que guardou Q1+Q2=(C1+C2)UQ_1 + Q_2 = (C_1 + C_2)U. Logo

Ceq=C1+C2+⋯C_{\text{eq}} = C_1 + C_2 + \cdots

Capacitores em paralelo somam capacitâncias, como se as placas fossem coladas lado a lado numa placa maior: é o AA de ε0A/d\varepsilon_0 A/d crescendo. O equivalente é maior que o maior deles.

Em série, a placa de baixo do primeiro está ligada só à placa de cima do segundo, num trecho de fio que não toca mais nada. Esse trecho começa neutro e continua neutro: quando a fonte põe +Q+Q na placa de cima do primeiro, ela induz −Q-Q na placa de baixo dele, o que deixa +Q+Q na placa de cima do segundo, que atrai −Q-Q do outro polo da fonte. Todos os capacitores em série têm a mesma carga QQ, e as tensões se somam: U=U1+U2=Q/C1+Q/C2U = U_1 + U_2 = Q/C_1 + Q/C_2. Então

1Ceq=1C1+1C2+⋯\frac{1}{C_{\text{eq}}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots

e, para dois, Ceq=C1C2/(C1+C2)C_{\text{eq}} = C_1 C_2/(C_1 + C_2), produto sobre soma. O equivalente é menor que o menor deles: colocar capacitores em série é afastar as placas extremas, o dd crescendo. A tensão se reparte no inverso das capacitâncias, e é o capacitor menor que fica com a maior fatia.

Associação de capacitores

Paralelo: mesma tensão, cargas se somam, Ceq=C1+C2C_{\text{eq}} = C_1 + C_2; o equivalente é maior que o maior. Série: mesma carga, tensões se somam, 1/Ceq=1/C1+1/C21/C_{\text{eq}} = 1/C_1 + 1/C_2; o equivalente é menor que o menor; nn capacitores iguais em série dão C/nC/n. Em qualquer associação, a energia total é a soma das energias de cada um, e também 12CeqU2\tfrac{1}{2}C_{\text{eq}}U^2 com a tensão total.

Um exemplo que fecha as contas. Capacitores de 6 µF e 3 µF, primeiro em paralelo sob 12 V: Ceq=9C_{\text{eq}} = 9 µF, carga total 108108 µC, repartida em 7272 µC no de 6 µF e 3636 µC no de 3 µF (mesma tensão, carga proporcional a CC). Energia: 12×9×10−6×144=648\tfrac{1}{2} \times 9 \times 10^{-6} \times 144 = 648 µJ. Agora os mesmos dois em série sob os mesmos 12 V: Ceq=6×3/9=2C_{\text{eq}} = 6 \times 3/9 = 2 µF, carga Q=24Q = 24 µC em cada um, tensões 24/6=424/6 = 4 V no de 6 µF e 24/3=824/3 = 8 V no de 3 µF, que somam 12 V, como devem. O capacitor menor ficou com a tensão maior. Energia: 12×2×10−6×144=144\tfrac{1}{2} \times 2 \times 10^{-6} \times 144 = 144 µJ, quase cinco vezes menos que em paralelo com a mesma fonte, porque a associação em série guarda menos carga por volt.

Dois esquemas de circuito lado a lado alimentados por uma fonte de 12 volts. À esquerda, dois capacitores de 6 e 3 microfarads em paralelo, cada um rotulado com a tensão 12 volts e as cargas 72 e 36 microcoulombs, com o equivalente 9 microfarads escrito abaixo. À direita, os mesmos capacitores em série, rotulados com a mesma carga 24 microcoulombs e as tensões 4 volts no de 6 microfarads e 8 volts no de 3 microfarads, o trecho de fio entre eles destacado como neutro com as cargas menos Q e mais Q nas placas internas, e o equivalente 2 microfarads escrito abaixo.
Paralelo: mesma tensão, as cargas se somam e Ceq=9C_{\text{eq}} = 9 µF. Série: mesma carga, as tensões se somam, o trecho interno fica neutro e Ceq=2C_{\text{eq}} = 2 µF; o capacitor menor fica com a tensão maior. Diagrama autoral.
As regras são as dos resistores ao contrário

Resistores em série somam resistências; capacitores em série somam inversos. Resistores em paralelo somam inversos; capacitores em paralelo somam capacitâncias. Quem decora “série soma” erra a associação de capacitores. O jeito de não trocar é lembrar o que é comum: série, mesma corrente nos resistores e mesma carga nos capacitores; paralelo, mesma tensão nos dois casos. E a capacitância é “o que cabe”: juntar em paralelo aumenta o que cabe, empilhar em série diminui.

No circuito de corrente contínua, o capacitor carregado é um ramo aberto

Ligue um capacitor, por um resistor, a uma fonte de tensão contínua. No primeiro instante ele está descarregado, a tensão entre suas placas é zero, e o circuito nem percebe que ele existe: a corrente é a que o resistor deixa passar com a fonte inteira sobre ele. À medida que a carga chega às placas, a tensão do capacitor cresce e sobra menos tensão para o resistor; a corrente diminui. Quando a tensão do capacitor iguala a da fonte, não há mais o que empurrar: a corrente é zero e fica zero. O capacitor carregado se comporta como um fio cortado: nenhuma corrente atravessa o seu ramo, e a tensão entre suas placas é a tensão do trecho de circuito ao qual ele está ligado.

Capacitor em regime permanente (corrente contínua)

Carregado, o capacitor é um ramo aberto: i=0i = 0 no ramo dele. Para achar a tensão nele, apague o ramo do capacitor, resolva o resto do circuito e leia a tensão entre os dois pontos onde ele estava ligado: UCU_C é essa tensão, e Q=C UCQ = C\,U_C. Um resistor em série com o capacitor, no mesmo ramo, não altera nada em regime: sem corrente, não há queda de tensão nele. Os outros ramos continuam conduzindo normalmente; o capacitor só zera o próprio ramo.

Foi exatamente esse reflexo que decidiu o item 91 da 3.ª etapa de 2019. O circuito era o da urna eletrônica: uma fonte de 12 V ligada a três ramos lado a lado, e em cada ramo uma chave (S1S_1, S2S_2, S3S_3) seguida de um resistor (R1=2R_1 = 2 Ω, R2=4R_2 = 4 Ω, R3=6R_3 = 6 Ω). O item manda fechar as três chaves e ligar um capacitor ideal entre S2S_2 e R2R_2; “quando o capacitor estiver totalmente carregado, nenhuma corrente fluirá no circuito”. Carregado, ele interrompe só a corrente do ramo de R2R_2; os ramos de R1R_1 e R3R_3 seguem ligados diretamente aos 12 V, com 12/2=612/2 = 6 A e 12/6=212/6 = 2 A, e a fonte fornece 8 A. “Nenhuma corrente” é falso: errado. O item 90 do mesmo bloco, aliás, era essa conta sem o capacitor, com S2S_2 aberta: 8 A no nó, certo. O capacitor carregado no ramo de R2R_2 equivale a S2S_2 aberta; é o mesmo circuito dos 8 A.

Circuito com uma fonte de 12 volts à esquerda e três ramos verticais em paralelo à direita; o primeiro ramo tem um resistor de 2 ohms com a corrente 6 ampères marcada, o terceiro um resistor de 6 ohms com 2 ampères, e o ramo do meio tem um resistor de 4 ohms em série com um capacitor carregado, com a corrente marcada como zero e a tensão do capacitor marcada como 12 volts; no fio de cima, perto da fonte, a corrente total 8 ampères; um balão de texto diz: carregado, o ramo do capacitor é um fio cortado, os outros ramos não sabem que ele existe.
O circuito da urna de 2019 com o capacitor carregado no ramo do meio: corrente zero nesse ramo, 12 V entre as placas, e os ramos de 2 Ω e 6 Ω conduzindo 6 A e 2 A como se o capacitor não existisse. "Nenhuma corrente no circuito" é o erro que o item plantou. Diagrama autoral.

O item 114 de 2018 testou a segunda metade do conceito. No desfibrilador, com a chave no ponto A (o capacitor de 10 µF ligado à fonte de 2 kV) e o capacitor totalmente carregado, “se um resistor de 1×1061 \times 10^{6} Ω for inserido em série com o capacitor, então fluirá no circuito uma corrente com valor superior a 1 mA”. Um capacitor carregado é um ramo interrompido, e pôr um resistor em série com ele não devolve corrente nenhuma, seja qual for o valor da resistência; os 2 000/106=22\,000/10^{6} = 2 mA são a conta de quem tratou o capacitor como um fio. Errado. A malha fonte–resistor–capacitor, em regime, tem corrente zero e os 2 kV inteiros sobre o capacitor.

Quando o capacitor está ligado a um trecho que não é a fonte inteira, a tensão dele é a desse trecho, e o resto do circuito é o que decide. Um exemplo: fonte de 12 V, resistores de 2 Ω e 4 Ω em série, e um capacitor de 5 µF em paralelo com o de 4 Ω. Em regime, o ramo do capacitor não conduz; a corrente da malha é 12/(2+4)=212/(2 + 4) = 2 A; a tensão no resistor de 4 Ω é 4×2=84 \times 2 = 8 V, e essa é a tensão do capacitor: Q=5×10−6×8=40Q = 5 \times 10^{-6} \times 8 = 40 µC, energia 12×5×10−6×64=160\tfrac{1}{2} \times 5 \times 10^{-6} \times 64 = 160 µJ. Se o capacitor estivesse em paralelo com o de 2 Ω, teria 4 V e 20 µC. A regra é sempre a mesma: apague o capacitor, resolva o circuito, leia a tensão entre os pontos onde ele estava.

"Carregado, nenhuma corrente no circuito"

O capacitor carregado zera o seu ramo, não o circuito. Se há outro caminho fechado pela fonte, a corrente continua por ele. O item de 2019 escreveu “nenhuma corrente fluirá no circuito” com dois ramos resistivos ainda ligados à fonte; é errado. A frase só seria verdadeira num circuito de uma malha só, como o do desfibrilador de 2018 ou o do bloco de 2024, em que o único caminho passa pelo capacitor.

Carga e descarga: a corrente nasce máxima e morre num tempo marcado por τ = RC

A seção anterior falou do fim do filme. O filme inteiro é a carga e a descarga através de um resistor, o circuito RC, e a prova de 2024 pediu o começo dele. O circuito do caderno era uma bateria de 10 V ligada a um resistor R=40R = 40 Ω em série com um capacitor C=20C = 20 µF, com duas chaves: a chave A, entre a bateria e o resto, e a chave B, que liga o nó entre A e o resistor diretamente ao fio de baixo, fechando um caminho resistor–capacitor–B que não passa pela bateria. As chaves começam abertas e o capacitor, descarregado.

Feche a chave A. No instante inicial o capacitor tem tensão zero, a bateria inteira cai sobre o resistor e a corrente é a maior de todo o processo:

i0=UR=1040=0,25 A=250 mA.i_0 = \frac{U}{R} = \frac{10}{40} = 0{,}25\ \text{A} = 250\ \text{mA}.

Essa é a resposta do item 102 (tipo B): marcação 250. Daí em diante a carga se acumula, a tensão do capacitor sobe, a tensão que sobra para o resistor é U−uCU - u_C e a corrente i=(U−uC)/Ri = (U - u_C)/R diminui. A corrente é proporcional ao que falta para o capacitor chegar à tensão da fonte, e isso faz a subida ser rápida no começo e lenta no fim: a curva da tensão do capacitor no tempo é côncava para baixo, e a da corrente cai do valor inicial em direção a zero com a mesma forma. No fim, “o circuito entra em equilíbrio quando a corrente elétrica é praticamente zero”, nas palavras do caderno, e o capacitor fica com os 10 V inteiros: é o item 101, certo. A carga final é Q=CU=20×10−6×10=200Q = CU = 20 \times 10^{-6} \times 10 = 200 µC e a energia, 12×20×10−6×100=1\tfrac{1}{2} \times 20 \times 10^{-6} \times 100 = 1 mJ.

Quanto tempo leva? O ritmo é dado pelo produto da resistência pela capacitância, a constante de tempo:

τ=R C.\tau = R\,C.

Ohm vezes farad dá segundo (confira: Ω⋅F=(V/A)⋅(C/V)=C/A=s\Omega \cdot \text{F} = (\text{V/A}) \cdot (\text{C/V}) = \text{C/A} = \text{s}). No circuito de 2024, τ=40×20×10−6=8×10−4\tau = 40 \times 20 \times 10^{-6} = 8 \times 10^{-4} s =0,8= 0{,}8 ms. Em um τ\tau o capacitor chega a cerca de 63 % da tensão final e a corrente cai a 37 % da inicial; em 2τ2\tau, 86 % e 14 %; em 5τ5\tau, 99 % e 1 %, que é o “praticamente zero” do enunciado. Resistor maior ou capacitor maior, carga mais lenta: o resistor limita a corrente, o capacitor exige mais carga. Esses números vêm de uma exponencial, uC=U(1−e−t/τ)u_C = U(1 - e^{-t/\tau}), mas a prova nunca pediu a curva: pediu o instante inicial, o regime final e, em 2024, o sentido da corrente ao inverter o processo.

Carga e descarga de um capacitor por um resistor

Carga (fonte UU, resistor RR): corrente inicial i0=U/Ri_0 = U/R, decrescente; tensão do capacitor sobe de 0 até UU; carga final Q=CUQ = CU. Descarga (sem fonte, capacitor com tensão U0U_0 fechado sobre RR): corrente inicial U0/RU_0/R no sentido contrário ao da carga, decrescente; tensão cai de U0U_0 a zero; toda a energia 12CU02\tfrac{1}{2}CU_0^2 vira calor no resistor. Nos dois casos o tempo característico é τ=RC\tau = RC: 63 % do caminho em τ\tau, 99 % em 5τ5\tau. A tensão de um capacitor nunca salta: ela só muda enquanto há corrente trazendo ou levando carga.

Agora o item 99, o mais sutil do bloco. Feche A até o equilíbrio (capacitor com 10 V, placa de cima positiva, lado do resistor), abra A e feche B. A bateria saiu do caminho; o capacitor carregado fica fechado sobre o resistor pela chave B e vai descarregar por ele. Na carga, a corrente atravessava o resistor vindo da bateria, no sentido do capacitor; na descarga, ela sai da placa positiva do capacitor, atravessa o resistor no sentido oposto e chega à placa negativa pela chave B. “A corrente que irá atravessar o resistor logo após a chave B ser fechada estará no sentido contrário ao da corrente que passou pelo mesmo resistor no instante em que a chave A foi fechada”: certo. E o valor inicial da descarga é o mesmo 250 mA, porque o capacitor tem 10 V e o resistor, 40 Ω.

O item 100 tem uma pegadinha de leitura: “considere que a chave B seja fechada, permanecendo assim até que o circuito entre em equilíbrio; durante o tempo em que a chave fica fechada, a tensão no resistor é igual a 5 V”. Nesse item a chave A nunca foi fechada, e o enunciado disse que, no início, o capacitor está descarregado. Fechar B sozinha fecha a malha resistor–capacitor sem nenhuma fonte e sem nenhuma carga guardada: não há corrente, não há queda de tensão, o resistor fica com 0 V do começo ao fim. Errado. Os 5 V são um número plantado para quem imaginou um divisor de tensão que não existe.

Dois gráficos em função do tempo para o circuito de 10 volts, 40 ohms e 20 microfarads. Acima, a tensão no capacitor: durante a carga, curva que parte de zero e sobe com concavidade para baixo até se aproximar de 10 volts, com marcas em tau igual a 0,8 milissegundo, onde vale 6,3 volts, e em 5 tau, onde vale 9,9 volts; a partir de 5 milissegundos, a descarga, curva que cai de 10 volts para zero, com 3,7 volts em um tau depois do início. Abaixo, a corrente no resistor: na carga, salta para 250 miliampères e cai até zero; na descarga, salta para menos 250 miliampères e volta a zero, o sinal negativo indicando o sentido invertido.
Carga e descarga do circuito do PAS 3 de 2024 (R=40R = 40 Ω, C=20C = 20 µF, τ=0,8\tau = 0{,}8 ms). A tensão do capacitor sobe sem saltos até 10 V e desce da mesma forma; a corrente no resistor salta para 250 mA no fechamento de cada chave e cai a zero, com sinal trocado na descarga. Diagrama autoral.
O pisca-pisca e o cronômetro de bolso

Um resistor e um capacitor fazem um relógio. Qualquer circuito que precisa “esperar um pouco” (o pisca-pisca do carro, o atraso de um timer de escada, o antirrepique de um botão) usa um RC: a tensão do capacitor sobe com a constante τ=RC\tau = RC e, ao cruzar um valor de referência, dispara a próxima etapa. Quer dobrar o tempo? Dobre RR ou dobre CC. O temporizador de uma escada, com 1 MΩ e 100 µF, tem τ=100\tau = 100 s: a luz fica acesa por um minuto e pouco. É também por isso que um multímetro ligado a um capacitor grande mostra a tensão caindo devagar: o próprio voltímetro é o RR da descarga.

Onde o capacitor trabalha: flash, desfibrilador, filtro, touch e supercapacitor

Com o modelo pronto, as aplicações se leem em uma linha cada.

Flash e desfibrilador: energia devagar, potência depressa. Os dois enchem o capacitor por um circuito que limita a corrente (segundos, no flash; alguns segundos, no desfibrilador) e o esvaziam numa descarga de milissegundos. A energia é a mesma nas duas fases; a potência, mil vezes maior na saída. O desfibrilador externo usa 30 a 100 µF carregados a 2 a 5 kV, para 100 a 360 J no tórax; o implantável de 2018, 10 µF a 2 kV, 20 J, porque os eletrodos estão dentro do coração. Uma bateria não faz esse serviço: sua resistência interna limita a corrente a dezenas de ampères, e o pulso exigiria centenas.

Filtro de fonte: o capacitor sustenta a tensão. A fonte do carregador retifica a tensão alternada da tomada, o que produz uma tensão que vai a zero 120 vezes por segundo (a rede brasileira é de 60 Hz, e a retificação dobra a frequência dos vales). Um capacitor grande em paralelo com a saída se carrega nos picos e, entre um pico e outro, descarrega devagar sobre o aparelho (um RC com τ\tau bem maior que os 8 ms entre dois picos), mantendo a tensão quase constante. É o eletrolítico gordo de toda fonte, e é ele que mantém o LED aceso por um instante depois de desligar da tomada.

Teclado e tela capacitivos: o dedo muda C. Numa tecla capacitiva, apertar aproxima duas placas (dd diminui, CC aumenta) e um circuito mede a mudança; não há contato metálico que oxide, e a tecla sente a aproximação antes do fundo do curso. Na tela do celular, uma grade de eletrodos transparentes forma capacitores pequenos; o dedo, condutor e ligado ao corpo, acrescenta capacitância onde toca, e o controlador localiza o ponto pela variação. Luva de lã não funciona porque é isolante; a caneta de ponta condutora, sim.

Supercapacitor: farads inteiros. Eletrodos de carvão poroso com área interna enorme e um dielétrico de nanômetros (a dupla camada de íons do eletrólito) dão C=κε0A/dC = \kappa\varepsilon_0 A/d com AA gigante e dd minúsculo: milhares de farads numa lata. Guarda menos energia por quilo que uma bateria de lítio, mas carrega e descarrega em segundos e aguenta um milhão de ciclos; por isso vai em ônibus que recarregam a cada parada e nos sistemas de frenagem regenerativa, onde a energia chega em rajadas.

A nuvem e o solo como capacitor. O texto-base de 2024 deu uma nuvem a 1 km do solo com 10810^{8} V de diferença de potencial, e o item 40 pediu o campo médio supondo-o uniforme: 10510^{5} V/m, não 100 V/m. Levando a hipótese adiante, uma base de nuvem de 10 km² forma com o solo um capacitor de C=ε0A/d=8,85×10−12×107/103≈9×10−8C = \varepsilon_0 A/d = 8{,}85 \times 10^{-12} \times 10^{7}/10^{3} \approx 9 \times 10^{-8} F, menos de um décimo de microfarad, e guarda Q=CU≈9Q = CU \approx 9 C, a ordem de grandeza dos 3 C que o raio do texto transporta (30 kA por 0,1 ms). A energia, 12QU≈4×108\tfrac{1}{2}QU \approx 4 \times 10^{8} J, é a de cem quilos de dinamite, descarregada em décimos de milissegundo. O campo médio de 10510^{5} V/m é trinta vezes menor que a rigidez do ar; o raio começa onde o campo local, perto de pontas e gotas, passa dos 3×1063 \times 10^{6} V/m, assunto da página de campo elétrico.

O primeiro capacitor era uma garrafa

Na década de 1740, em Leiden, uma garrafa de vidro com uma folha de metal por dentro e outra por fora, e água ou uma corrente de metal fazendo contato com a folha interna, guardava a carga de uma máquina eletrostática e a devolvia num choque capaz de derrubar uma fila de pessoas de mãos dadas: a Jarra de Leiden, duas armaduras e um dielétrico de vidro, exatamente o capacitor desta página, com κ≈5\kappa \approx 5 e uma área de alguns decímetros quadrados. Franklin usou baterias de jarras nos seus experimentos, e a palavra “bateria” nasceu aí, de uma bateria de canhões. A história completa, com Galvani e Volta, fica na página de história da eletricidade.

Como a banca pergunta

O capacitor rendeu itens em sete provas da 3.ª etapa entre 2008 e 2024, e de dois jeitos: como o lugar onde o campo é uniforme (eletrostática) e como componente de um circuito (eletrodinâmica). Nos circuitos, a prova nunca pediu a exponencial: pediu o instante inicial, o regime e o sentido. Os itens estão na aba de exercícios, verbatim; aqui vai a leitura de cada um.

O bloco RC com duas chaves (2024, itens 99 a 102). Bateria de 10 V, R=40R = 40 Ω, C=20C = 20 µF, chave A entre a bateria e o resto, chave B fechando o caminho resistor–capacitor sem a bateria. Item 102 (tipo B): corrente máxima ao fechar A, com o capacitor descarregado, 10/40=0,2510/40 = 0{,}25 A, marcação 250. Item 101: em equilíbrio, corrente nula, capacitor com os 10 V: certo. Item 99: carga por A, depois A aberta e B fechada; a descarga atravessa o resistor no sentido oposto ao da carga: certo. Item 100: só B fechada, com o capacitor descarregado e sem bateria no caminho; não há corrente e a tensão no resistor é zero, não 5 V: errado.

O capacitor na urna (2019, item 91). Três chaves fechadas, capacitor ideal entre S2S_2 e R2R_2; carregado, “nenhuma corrente fluirá no circuito”. Zera o ramo de R2R_2; R1R_1 e R3R_3 seguem com 6 A e 2 A. Errado.

O desfibrilador implantável (2018, itens 112 a 114). Fonte de 2 kV, capacitor de 10 µF, resistor que representa o coração, chave que liga em A (fonte) ou B (coração). Item 113: energia 12CU2=20\tfrac{1}{2}CU^2 = 20 J, inferior a 50 J: certo. Item 112: 20 J em 1 ms são 20 kW, não mais que 30 kW: errado. Item 114: capacitor carregado com um resistor de 1 MΩ em série, “corrente superior a 1 mA”: corrente nula, errado.

O osso dielétrico (2008, item 102). Capacitor rígido e isolado, constante dielétrica 6: a tensão cai a um sexto, não aumenta seis vezes. Errado.

A amônia no capacitor (2018, item 33, tipo C). Moléculas polares entre placas ±Q\pm Q: todas alinhadas, nitrogênio (lado negativo) voltado para a placa positiva. Opção A. As outras opções invertem o dipolo, o põem paralelo às placas ou o deixam ao acaso.

O elétron entre as placas (2016, itens 117 e 118). E=30/0,010=3 000E = 30/0{,}010 = 3\,000 V/m, não inferior a 1 000: errado (118). v=2(e/m)U≈1,3×107v = \sqrt{2(e/m)U} \approx 1{,}3 \times 10^{7} m/s >0,01c> 0{,}01c: certo (117).

As placas a 2 cm e 5 V (2012, item 47). E=5/0,02=250E = 5/0{,}02 = 250 V/m =250= 250 N/C: certo. O plano paralelo às placas (2018, item 115). aa e bb na mesma equipotencial, trabalho nulo: certo. As gotas de tinta (2010, item 28, tipo B). Parábola entre as placas, Δq=2m Δy/(Et2)\Delta q = 2m\,\Delta y/(Et^2), marcação 373. A nuvem e o solo (2024, item 40). E=108/103=105E = 10^{8}/10^{3} = 10^{5} V/m, não 100 V/m: errado.

O padrão é nítido. Nos circuitos, a banca planta o erro na extensão indevida (“nenhuma corrente no circuito” quando só o ramo zera), na condição de regime (resistor em série com o capacitor carregado) e no sentido (descarga ao contrário da carga); a conta, quando existe, é U/RU/R ou 12CU2\tfrac{1}{2}CU^2. Na eletrostática, o erro mora na unidade (mm, cm, km no dd de E=U/dE = U/d) e na condição fixa (isolado ou na fonte) do dielétrico.

Os erros que mais custam item

Nove confusões e a correção de cada uma
  1. “Capacitor carregado, nenhuma corrente no circuito.” Só o ramo do capacitor zera; os outros ramos ligados à fonte continuam conduzindo (2019/91).
  2. Resistor em série com o capacitor carregado “deixa passar” corrente. Em regime, a corrente do ramo é zero, qualquer que seja o resistor; a tensão fica toda no capacitor (2018/114).
  3. dd em milímetros, centímetros ou quilômetros em E=U/dE = U/d. Converta antes de dividir: 10 mm dão 3 000 V/m com 30 V, não 3 (2016/118); 1 km dá 10510^{5} V/m com 10810^{8} V, não 100 (2024/40).
  4. Dobrar a tensão dobra a energia. 12CU2\tfrac{1}{2}CU^2 quadruplica; o que dobra é a carga Q=CUQ = CU.
  5. Energia =QU= QU. É 12QU\tfrac{1}{2}QU: a área do triângulo, não do retângulo (o 20 J de 2018 sai de 12×10−5×4×106\tfrac{1}{2} \times 10^{-5} \times 4 \times 10^{6}).
  6. Dielétrico “aumenta a tensão”. Isolado: UU cai κ\kappa vezes, QQ fixa (2008/102). Na fonte: UU fixa, QQ sobe κ\kappa vezes. Decida o que está fixo antes de responder.
  7. Série soma capacitâncias. Série soma inversos (equivalente menor que o menor, mesma carga); paralelo soma capacitâncias (mesma tensão). É o contrário dos resistores.
  8. A corrente inicial “depende do capacitor”. No instante em que a chave fecha, o capacitor descarregado é um fio: i0=U/Ri_0 = U/R, só o resistor conta (2024/102). O capacitor decide quanto tempo dura, pelo τ=RC\tau = RC.
  9. A tensão do capacitor salta. Nunca: ela só muda enquanto há corrente levando carga às placas. Ao fechar a chave, a tensão do capacitor continua a que era, e quem salta é a corrente.

O essencial em meia página

  • Capacitância: C=Q/UC = Q/U, em farad (C/V). QQ é a carga de uma placa; a outra tem −Q-Q. CC depende da geometria e do dielétrico, não de QQ nem de UU. Ordens de grandeza: pF, nF, µF; farads só em supercapacitores.
  • Placas paralelas: C=κε0A/dC = \kappa\varepsilon_0 A/d, com ε0=8,85×10−12\varepsilon_0 = 8{,}85 \times 10^{-12} F/m. Campo uniforme E=U/dE = U/d (V/m = N/C), da placa ++ para a −-; dd em metros. Carga entre as placas: força ∣q∣E|q|E, trabalho ∣q∣U|q|U, parábola se lançada paralelamente.
  • Dielétrico: polariza-se, enfraquece o campo κ\kappa vezes, multiplica CC por κ\kappa. Isolado (QQ fixa): UU e EE caem κ\kappa vezes. Na fonte (UU fixa): QQ sobe κ\kappa vezes. Rigidez dielétrica → tensão máxima de trabalho.
  • Energia: 12QU=12CU2=Q2/2C\tfrac{1}{2}QU = \tfrac{1}{2}CU^2 = Q^2/2C, área do triângulo do gráfico Q×UQ \times U. Dobrar UU quadruplica. 10 µF a 2 kV: 20 J; em 1 ms, 20 kW.
  • Associação: paralelo, mesma UU, Ceq=C1+C2C_{\text{eq}} = C_1 + C_2; série, mesma QQ, 1/Ceq=1/C1+1/C21/C_{\text{eq}} = 1/C_1 + 1/C_2, o menor fica com a maior tensão. Ao contrário dos resistores.
  • Regime permanente (CC): capacitor carregado == ramo aberto, i=0i = 0 só no ramo dele; UCU_C é a tensão do trecho que ele vê; resistor em série com ele não muda nada; os outros ramos continuam.
  • Carga e descarga: i0=U/Ri_0 = U/R (capacitor descarregado é um fio), corrente decresce, uCu_C sobe sem saltos até UU; τ=RC\tau = RC (63 % em τ\tau, 99 % em 5τ5\tau); descarga com corrente no sentido oposto e toda a energia virando calor em RR.
  • Aplicações: flash e desfibrilador (energia devagar, potência depressa), filtro de fonte (sustenta a tensão), teclado e tela (o dedo muda CC), supercapacitor (farads, ciclos rápidos), nuvem–solo (capacitor de 10−710^{-7} F a 10810^{8} V), Jarra de Leiden (o primeiro).
  • Fora daqui: campo e potencial em geral (páginas de campo elétrico e potencial elétrico); malhas com duas fontes (leis de Kirchhoff); gerador real (geradores e receptores); a história da Jarra de Leiden, de Galvani e de Volta (história da eletricidade).

Exercícios temporariamente indisponíveis

Não foi possível consultar o banco de questões. O conteúdo da aula continua disponível.

Flashcards temporariamente indisponíveis

Não foi possível consultar os cartões de revisão.

Capacitores - Eletrodinâmica - Aula 20 - Prof. Marcelo Boaro
Professor Boaro · 34:58
Introdução. Trinta e cinco minutos em que, segundo a descrição do autor, ele “discute o conceito de capacitância e discute em detalhes o capacitor plano” e fecha com “um exercício de aplicação”. São as duas primeiras seções desta página, “Um capacitor guarda carga separada” e “No capacitor de placas, a geometria decide tudo”: C=Q/UC = Q/U, o farad e C=ε0A/dC = \varepsilon_0 A/d. Assista antes de ler e confira, na tabela de ordens de grandeza, por que um farad é tanto e por que os capacitores reais enrolam folhas de alumínio.
Capacitores com Dielétricos
Reinaldo Cavasso Filho · 6:05
Aprofundamento. Seis minutos que, nas palavras da descrição, partem de “um capacitor de placas paralelas carregado com cargas +Q e −Q”, introduzem um dielétrico e analisam “microscopicamente o efeito na diferença de potencial e na capacitância”, concluindo que “a capacitância aumenta por um fator K”; o autor ainda avisa que a demonstração supõe “a carga nas placas constante” e que, com a mesma tensão aplicada, o capacitor com dielétrico “armazenará mais carga”. É exatamente a tabela isolado × ligado à fonte da seção “O dielétrico enfraquece o campo e multiplica a capacitância”, e a física do item do osso de 2008 e da amônia de 2018 da aba de exercícios.
Capacitores - Associação - Eletrodinâmica - Aula 21 - Prof. Marcelo Boaro
Professor Boaro · 25:05
Aplicação às associações. Vinte e cinco minutos em que o professor, conforme a descrição, “discute como associar capacitores em série e em paralelo”. É a seção “Série divide a tensão, paralelo divide a carga”: mesma carga em série com inversos que se somam, mesma tensão em paralelo com capacitâncias que se somam, o contrário dos resistores. Resolva antes o exemplo dos capacitores de 6 µF e 3 µF e as questões de associação da aba de exercícios (12 µF e 6 µF em série com 4 µF em paralelo; 2 µF e 8 µF em série sob 100 V) e compare o caminho.
PAS3 2018 Física 112, 113 e 114 - Eletrodinâmica, Circuito e Capacitor
Fazendo Física · 9:55
Resolução de itens reais. Dez minutos sobre o bloco do desfibrilador implantável da 3.ª etapa de 2018; a descrição reproduz o texto-base e os três itens (a potência da descarga de 20 J em um milissegundo, a energia armazenada com a chave em A e o resistor de 1 MΩ em série com o capacitor carregado). São os itens 112, 113 e 114 de 2018 da aba de exercícios, lidos nas seções “A energia armazenada é a área do gráfico Q × U” e “No circuito de corrente contínua, o capacitor carregado é um ramo aberto”. Julgue os três antes de assistir e confira a ordem de grandeza dos 20 J e dos 20 kW.
PAS3 2019 Física 89, 90 e 91 - Potência, Capacitor e Circuito Elétrico
Fazendo Física · 6:37
Resolução do item da armadilha central da página. Seis minutos sobre o bloco da urna eletrônica da 3.ª etapa de 2019, cujo texto-base e itens a descrição reproduz, incluindo o item 91: capacitor ideal entre S2 e R2 e a afirmação de que, carregado, “nenhuma corrente fluirá no circuito”. É a seção “No circuito de corrente contínua, o capacitor carregado é um ramo aberto” e a armadilha “Carregado, nenhuma corrente no circuito”: só o ramo de R2 zera, e R1 e R3 seguem com 6 A e 2 A. Mantido como quinto vídeo porque é a única resolução em vídeo encontrada desse item, que decide o erro mais frequente do assunto; os itens 89 e 90 do mesmo vídeo são da página de associação de resistores.
Rota PAS 3
Circuitos elétricos: da tomada às leis de Kirchhoff · PAS 3

Fontes desta página

Os materiais abaixo contribuíram para a explicação e os exemplos deste assunto.

  • Rota PAS 3 — Circuitos elétricos: da tomada às leis de Kirchhoff · Geradores reais, medidores e o capacitor no circuito (conceito 'capacitor em corrente contínua: carregado, i = 0 no ramo e a tensão do trecho que ele vê'; itens 2019/91 com a urna eletrônica, 2018/114 com o desfibrilador, 2024/101 e 2024/102 com o bloco RC; armadilha 'capacitor carregado zera o ramo, não o circuito'); As leis de Kirchhoff: nós e malhas (a urna de 2019 com a fonte de 12 V e os ramos de 2 Ω, 4 Ω e 6 Ω); Como a banca cobra (histórico 'Gerador real, pilhas, medidores e capacitor': 2024/99 e 100, 2018/112 e 113 no inventário); Banco de treino (T22)

    O capítulo trata o capacitor só em regime permanente (carregado = corrente nula no ramo) e declara zero em constante de tempo e exponencial. Esta página mantém o reflexo de regime como centro, acrescenta a dinâmica RC em termos qualitativos e de leitura de gráfico (τ = RC, 63 % em τ, corrente inicial U/R, sentido invertido na descarga), porque o bloco de 2024 cobrou o instante inicial e a inversão do sentido, e reproduz os itens 2024/99 e 2024/100, que o livro deixou no inventário por dependerem da figura, com a topologia do circuito descrita em texto.

  • Rota PAS 3 — Eletrostática: força, campo e potencial elétrico · Campo uniforme entre placas: a ponte E = U/d (conceito, exemplo-guia das placas a 5 cm com 200 V, itens 2012/47, 2016/117 e 118, 2010/28, 2008/102 com a constante dielétrica do osso e 2018/115 com os pontos a e b na equipotencial; armadilha 'o quilômetro que vale mil'); Leia como na prova: a página do raio (2024/40, nuvem e solo como placas); O raio (pílula da obra 'Galvani e Volta, um embate elétrico', Jarra de Leiden como capacitor primitivo); Como a banca cobra (2018/33, a amônia no capacitor, no inventário)

    Recorte por assunto: desta seção a página toma só o que é do capacitor (placas paralelas, E = U/d entre as placas, dielétrico e constante dielétrica, elétron e gotas lançados entre placas). Campo elétrico em geral, potencial e equipotenciais, condutores em equilíbrio e o raio ficam nas páginas de campo elétrico e potencial elétrico. O capítulo declara 'zero em capacitância como fórmula (C = Q/V não aparece na série)'; a página acrescenta, ausentes dos dois capítulos, a definição C = Q/U, o farad e as ordens de grandeza, C = ε₀A/d, a energia ½CU² e a área do gráfico Q × U (cobrada indiretamente pelo desfibrilador de 2018), a associação em série e em paralelo, o par isolado × ligado à fonte e as aplicações.

  • Cadernos e gabaritos oficiais do PAS/UnB (Cebraspe) · PAS 3 2024 (itens 99 a 102, p. 14 do PDF, figura do circuito com bateria de 10 V, resistor de 40 Ω, capacitor de 20 µF e chaves A e B; item 40, p. 7 do PDF, texto-base do raio); 2019 (item 91, p. 12 do PDF, figura da urna com a fonte V e as chaves S1, S2, S3); 2018 (itens 112 a 114, caderno Orozco p. 15, figura II do desfibrilador com fonte de 2 kV, capacitor de 10 µF, resistor-coração e chave A/B; item 33, caderno Orozco p. 7, figuras A a D da amônia; item 115, caderno Orozco p. 16, figura I das linhas de força no capacitor); 2016 (itens 117 e 118, elétron entre placas); 2012 (item 47, figura II das placas); 2010 (item 28, tipo B, placas defletoras da impressora); 2008 (item 102, p. 13 do PDF, bloco 'Wilma')

    Itens reproduzidos verbatim dos cadernos em texto e conferidos na imagem dos PDFs em utils/material/PAS/provas/ rasterizados a 130 dpi, figuras a 300 dpi; gabaritos conferidos nos arquivos GAB (2024: 99 C, 100 E, 101 C, 102 = 250, 40 E; 2019: 91 E; 2018: 33 A, 112 E, 113 C, 114 E, 115 C; 2008: 102 E) e em utils/material/PAS/pesquisa/classificacao-pas3/AAAA.json. As figuras impressas foram descritas em texto neutro, nomeando todos os rótulos e a topologia. Os itens 2016/117, 2016/118, 2018/115, 2012/47, 2010/28 e 2024/40 já existiam no banco do Hub pelas páginas de potencial elétrico, campo elétrico, trabalho de uma força e grandezas físicas e são reutilizados pelo GUID.