O que acontece se eu conectar um capacitor de baixa tensão a uma alta tensão?

Dado que c = q / v, mesmo que eu o conecte a um V maior, sua carga Q pode diminuir proporcionalmente, certo? Então, por que deveria danificar meu capacitor? ou o campo elétrico interno ficará muito alto e fará com que o dielétrico se quebre? Ou seria apenas com vazamento e superaquecimento devido ao aumento considerável do auto aquecimento?

Uma resposta literal é esta :

Existem três capacitores queimados; dois podem ser vistos como espirais de material cinza ainda razoavelmente in situ, o terceiro nada mais é do que a base e os terminais internos. Todos eles foram classificados para 6,3V, mas, devido a uma falha no regulador de energia, eles foram conectados a 7,5V. Uma quantidade desprezível, é o que se poderia pensar, mas a lata externa desse terceiro capacitor explodiu com tanta força que perfurou um buraco em um pedaço de plástico de 3 mm - a cerca de 80 mm de distância - e se incorporou a uma bateria do outro lado.

Todo esse material marrom é um material fibroso semelhante ao papelão e chega a todos os lugares. Não sei se há algum tipo de óleo dentro do capacitor que seca quando é exposto ao ar, mas sei que ele gruda como cola no que quer que ele pousar.

Você tem que ter cuidado com essas equações.

c = q / v, Q = CV, todos parecem muito bons, mas só se aplicam dentro dos limites para os quais se aplicam .

Para um capacitor, um dos limites é manter a tensão baixa o suficiente para que o dielétrico do capacitor permaneça intacto. À medida que você aumenta a tensão do terminal, o estresse elétrico aumenta através do dielétrico e, eventualmente, se quebra. Quando isso acontece, você não tem mais um capacitor. Na melhor das hipóteses, você fica com um curto-circuito ou um circuito aberto. No pior caso, você tem um laboratório cheio de fumaça e / ou uma ida ao pronto-socorro.

Os fabricantes de capacitores são bastante úteis para imprimir a voltagem máxima que suas tampas suportam antes de deixarem de ser capacitores. Geralmente, você pode exceder um pouco, alguns por cento, ao custo da vida útil do capacitor. Se você exceder em 10s por cento, verá que a vida útil do seu capacitor se torna zero.

Se você quer saber por que algo está acontecendo no mundo real, precisa de um modelo mais complexo que a pura fórmula teórica.

Como são feitos os capacitores? São duas folhas finas de material eletricamente condutor, com uma folha fina de material isolante eletricamente colocado entre elas. A capacitância é dada pela geometria dessas folhas. Você precisa de um isolador mais fino ou de uma superfície maior para maior capacidade.

Em teoria, o isolador não permite que os elétrons fluam através dele. Os materiais na vida real se comportam de maneira diferente. Com tensão suficiente aplicada, qualquer isolador será forçado a permitir que os elétrons fluam através dele.

A tensão de ruptura onde isso acontece depende do material, também de sua geometria. Uma folha mais fina de isolador quebrará a uma voltagem mais baixa que a mais grossa.

Esse fenômeno de quebra geralmente é altamente energético, porque a pequena quantidade de corrente se dissipará como calor na enorme resistência do isolador. Isso também pode ser uma simplificação do fenômeno da vida real de quebra de sobretensão. Também podem ocorrer reações químicas que podem alterar o comportamento do capacitor.

Portanto, se você quiser fabricar um capacitor pequeno de alta capacitância, ele deverá ser limitado a baixas tensões. Os de alta tensão e de alta capacitância são grandes por esse motivo.

Por @ e a fórmula precisa ser aplicada da maneira correta.

por @andy e previsto por @ user44635, o capacitor falhará quando a tensão for aumentada além de algum limite.

O modo como falha e seus efeitos dependem de

• a tensão de falha,
• $\frac{1}{2}CV^2$
• taxa de variação de carga e tensão,
• tipo de capacitor,
• defeitos de material e fabricação,
• fatores ambientais, como umidade e temperatura, fontes de energia conectadas.

O @ceteras adiciona algumas idéias úteis ao @ user44635 e mostra como devemos sempre estar cientes da teoria e dos relacionamentos práticos no que estamos lidando.

Os efeitos podem ser insignificantes - uma nuvem de fumaça ou perigosos, com risco de vida e catastróficos.

Em um incidente na década de 1960, um capacitor relativamente pequeno - acho que era de aproximadamente 33pF - (cerca de 150 mm por 25 mm quadrados) que meu pai fabricou provocou muitos danos colaterais. Uma pequena cidade com cerca de 100 mil pessoas ficou sem luz por um fim de semana. A tampa estava em uma linha CA de 33kV ou 100kV. Foi usado como parte de um divisor capacitivo para medição de tensão.

Falhou devido a defeito de projeto e fabricação. Não me lembro se alguém foi morto ou gravemente ferido. Isso poderia facilmente ter sido o caso.

Por @Loren, os cálculos funcionam da seguinte maneira, tomando 33kV e 33pF (que é o que eu me lembro deles sendo marcados como)

$\frac{1}{2}CV^2 = \frac{1}{2} \times (33 \times 10^{-12}) \times (33 \times 1.4 \times 10^3)^2$

= ~ 35mJ (e & oe obrigado @ Peter @loren)

O fator 1,4 corrige o RMS-> pico de tensão, os limites tendem a falhar nos picos.

A descarga da tampa levaria na região de 1ms, produzindo 35W (talvez muito mais rápido).

@ 100kV, você obtém 9 vezes a energia e o poder - 320mJ.

O dielétrico falhou, provavelmente devido a uma imperfeição. Todo o suprimento da cidade (vários MVA, mesmo naqueles dias) foi redirecionado para a tampa, ionizado pelo ar, o resto é história. A extremidade quente teria sido um barramento, a extremidade inferior foi conectada a outra tampa como um divisor paralelo a um indicador de painel de neon.

O suficiente para acordar o operador, mas pouco mais. A contribuição da linha de energia através do ar ionizado teria durado um pouco mais e causaria o dano.

Na presença de

  high power
  high voltage 
  high current 
  capacitors
  inductors
  high energy electrical systems of all forms 

muita energia pode ser armazenada e liberada rapidamente em tensões e correntes anormais para o circuito.

@Charlie mostra um bom exemplo de baixa tensão.

As tampas eletrolíticas são interessantes no modo de falha, pois os fluidos (geralmente em géis) podem ferver e causar uma falha explosiva devido ao volume de gases quentes que agora ocupa seu interior. Eles podem atingir temperaturas acima de 100 graus Celsius antes de explodirem e liberarem vapor superaquecido.

Os engenheiros precisam sempre se preocupar com a segurança de si mesmos e dos outros.

O carregamento de um capacitor sempre apresenta algum risco, pois pode falhar mesmo quando operado dentro de seus limites nominais devido à fabricação, manuseio, meio ambiente ou por qualquer outro motivo.

Q = CV, portanto, se a capacitância permanecer constante e você aumentar a tensão, a carga deverá aumentar. Conectar um capacitor a uma tensão que excede suas classificações está pedindo uma nuvem de fumaça ou talvez até alguns fogos de artifício.