Como um capacitor bloqueia a CC?

Estou confuso com isso! Como um capacitor bloqueia a CC?

• Eu já vi muitos circuitos usando capacitores alimentados por uma fonte CC. Então, se o capacitor bloqueia CC, por que deveria ser usado em tais circuitos?
• Além disso, a classificação de tensão é mencionada como um valor DC no capacitor. O que isso significa?

Eu 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 alguma coisa, os elétrons são atraídos para o lado + da bateria e empurrados para fora - .

Vamos conectar alguns fios à bateria:

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

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

Nota: Eu uso o símbolo e ^- para representar um elétron

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

O fio ligado ao positivo lado da bateria tem electrões sugado para fora do mesmo. Esses elétrons são então empurrados para fora do lado negativo da bateria no fio conectado ao lado negativo.

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

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

Portanto, quando você conecta a bateria a esses fios pela primeira vez, apenas um pouco de corrente flui. A bateria não é capaz de mover muitos elétrons; portanto, a corrente flui muito brevemente e depois pára.

Se você desconectou a bateria, girou-a e reconectou-a: elétrons no fio preto seriam sugados pela bateria e empurrados para o fio vermelho. Mais uma vez, haveria apenas uma pequena quantidade de fluxo de corrente e depois pararia.

O problema de usar apenas dois fios é que não temos muitos elétrons para carregar. O que precisamos é de uma grande reserva de elétrons para brincar - um grande pedaço de metal. É isso que um capacitor é: um grande pedaço de metal preso às extremidades de cada fio.

Com esse grande pedaço de metal, há muito mais elétrons que podemos empurrar com facilidade. Agora, o lado "positivo" pode ter muito mais elétrons sugados, e o lado "negativo" pode ter muito mais elétrons nele:

Portanto, se você aplicar uma fonte de corrente alternada a um capacitor, parte dessa corrente poderá fluir, mas depois de um tempo ela ficará sem elétrons para se movimentar e o fluxo será interrompido. Isso é uma sorte para a fonte CA, pois ela reverte e a corrente é permitida a fluir mais uma vez.

Mas por que um capacitor é classificado em volts CC

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

A razão pela qual eles usam "papel alumínio" separado por "papel encerado" é porque eles querem que os elétrons negativos estejam muito próximos dos "buracos" positivos que deixaram para trás. Isso faz com que os elétrons sejam atraídos pelos "buracos" positivos:

Como os elétrons são negativos e os "buracos" são positivos, os elétrons são atraídos pelos buracos. Isso faz com que os elétrons realmente 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 pelos buracos que deixaram para trás.

Mas esse papel encerado não é um isolador perfeito; 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 uma quebra do papel encerado, danificando permanentemente o capacitor:

Na realidade, um capacitor não é mais feito de papel alumínio e papel encerado; eles usam materiais melhores. Mas ainda há um ponto, uma "tensão", em que o isolador entre as duas placas paralelas quebra, destruindo o dispositivo. Esta é a tensão máxima CC nominal do capacitor .

Deixe-me ver se posso adicionar mais uma perspectiva às 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

Nessa situação, o AC pode passar, mas o DC está bloqueado. Isso geralmente é chamado de capacitor de acoplamento.

Capacitor em paralelo com sinal

Nessa situação, o controlador de domínio é capaz de passar, mas o CA é curto-circuito, causando o bloqueio. Isso geralmente é chamado de capacitor de desacoplamento.

O que é AC?

Eu usei os termos "Freq alta" e "Freq baixa" de maneira pouco flexível, pois eles realmente não têm números associados a eles. Eu fiz isso porque o que é considerado baixo e alto depende do que está acontecendo no resto do circuito. Se você quiser saber mais sobre isso, pode ler sobre filtros passa-baixo na Wikipedia ou algumas de nossas perguntas sobre filtros RC .

Classificação de tensão

A voltagem que você vê nos 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 fogo, ou às vezes apenas esquenta.

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 DC nele, um lado será carregado positivamente e o outro lado negativamente. Ambas as cargas se atraem, mas não conseguem passar pela barreira isolante. Não há fluxo atual. Então esse é o fim da história para a DC.
Para AC é diferente. Um lado será sucessivamente carregado positivamente e negativamente e atrairá cargas negativas e positivas resp. Assim, as mudanças de um lado da barreira provocam mudanças do outro lado, de modo que parece que as cargas atravessam a barreira e que a corrente flui efetivamente através do capacitor.

Um capacitor carregado é sempre carregado em corrente contínua, ou seja, um lado tem cargas positivas e o outro lado negativo. Essas cobranças são um armazenamento de energia elétrica , necessário em muitos circuitos.

A tensão máxima é determinada pela barreira isolante. Acima de uma certa tensão, ele avaria e cria um curto-circuito. Isso pode acontecer em DC, mas também em AC.

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

São realmente duas aplicações do mesmo comportamento - um capacitor reage para tentar manter constante a tensão em si mesmo. No caso da série, é um prazer remover uma diferença de tensão constante, mas qualquer mudança abrupta de um lado será passada para o outro para manter a diferença de tensão constante. No caso paralelo, qualquer mudança abrupta de tensão será reagida.

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

$Q = C \times V$

A diferenciação de ambos os lados (corrente é a derivada temporal da carga), fornece:

$I = C \times \dfrac {dV}{dt}$

$\dfrac{dV}{dt} = 0$

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

A voltagem através das placas de um capacitor também deve mudar de maneira contínua, para que os capacitores tenham o efeito de "sustentar" uma voltagem uma vez carregada, até que essa voltagem possa ser descarregada através de uma resistência. Um uso muito comum para capacitores é, portanto, estabilizar as tensões dos trilhos e desacoplar trilhos do solo.

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

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

Minha resposta a essas perguntas é sempre "água". A água que flui através dos tubos é uma analogia surpreendentemente precisa para a corrente que flui pelos fios. Corrente é a quantidade de água que flui através de um cano. A diferença de tensão se torna a diferença na pressão da água. Os tubos devem ficar planos, de modo que a gravidade não desempenhe nenhum papel.

Em tal analogia, uma bateria é uma bomba de água e um capacitor é uma membrana de borracha que bloqueia completamente o tubo. DC é a água que flui constantemente em uma direção através de um tubo. AC é água fluindo o tempo todo.

Com isso em mente, deve ser óbvio que um capacitor bloqueia a corrente contínua: como a membrana só pode esticar até agora, a água não pode continuar fluindo na mesma direção. Haverá algum fluxo enquanto a membrana esticar (ou seja, o capacitor carrega), mas em um ponto ela se torna esticada o suficiente para equilibrar completamente a pressão da água, bloqueando assim qualquer fluxo adicional.

Também se torna óbvio que um capacitor não bloqueia completamente a CA, mas depende das propriedades da membrana. Se a membrana for suficientemente elástica (alta capacitância), ela não será um desafio para a água que flui para frente e para trás rapidamente. Se a membrana for realmente bastante rígida (por exemplo, uma fina folha de plástico), isso corresponderá a 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.

Essa analogia tem sido tão excepcionalmente útil para mim que eu realmente me pergunto por que não é usada mais amplamente.

Primeiro, um capacitor bloqueia CC e é uma impedância mais baixa para a CA, enquanto um indutor tende a bloquear a CA, mas passa CC com muita facilidade. Por "bloqueio", queremos dizer que ele oferece uma alta impedância ao 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 CA ou CC, a energia dissipada por um resistor perfeito é a mesma quantidade para ambos.

Portanto, a resistência é um tipo de "impedância" ao fluxo de corrente. Existem outros 2 - "reatância indutiva" e "reatância capacitiva". Ambos também são medidos em ohms, como resistência, mas ambos são diferentes, pois, por um lado, variam com a frequência e, por outro, na verdade, não consomem energia como a resistência. Portanto, todos juntos existem três tipos de impedância - resistiva, indutiva e capacitiva.

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

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

A 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, e como "f" para frequência precisa ser fornecido, o valor varia com a frequência de um determinado indutor.

Observe que, à medida que a frequência aumenta, o mesmo ocorre com a impedância (resistência CA) em ohms. E observe que, se a frequência é igual a zero, o mesmo acontece com a impedância - uma frequência de zero significa CC, de modo que os indutores praticamente não têm resistência ao fluxo de corrente CC. E conforme a frequência aumenta, o mesmo acontece com a impedância.

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

Aqui, C é a capacitância da tampa em farads, "2pi" e "f" são os mesmos que acima, e "X-sub-C" é a reatância capacitiva em ohms. Observe que aqui, a reatância é "uma dividida por" a frequência e a capacitância - isso resulta em valores de impedância que diminuem com frequência e capacitância. Portanto, 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 maior a frequência de o sinal AC, menor a impedância para ele.

Vou seguir a abordagem da resposta qualitativa com a resposta mais curta:

Um capacitor através dos trilhos CC está lá, com efeito, para curto- circuitar quaisquer sinais CA que possam entrar nos trilhos de alimentação, de forma que a quantidade de CA através do seu circuito CC seja reduzida.

A classificação de tensão em uma tampa é a tensão máxima (soma de CC e qualquer CA presente!) Que a tampa deve ver. Exceda essa tensão e a tampa falhará.