Como uma loja de capacitores pode carregar enquanto também passa corrente?

Costuma-se dizer que os capacitores armazenam carga. Apenas lendo a Wikipedia , encontro:

Daniel Gralath foi o primeiro a combinar vários frascos em paralelo em uma "bateria" para aumentar a capacidade de armazenamento de carga . Benjamin Franklin investigou o frasco de Leyden e chegou à conclusão de que a carga estava armazenada no copo, não na água, como outros haviam assumido.

Como os condutores (ou placas) estão próximos, as cargas opostas nos condutores se atraem devido aos seus campos elétricos, permitindo que o capacitor armazene mais carga para uma determinada tensão do que se os condutores estivessem separados, dando ao capacitor uma grande capacitância .

Aqui Q é a carga armazenada no capacitor

A carga é medida em coulombs, e eu sei pela definição de capacitância que, se um capacitor 1F tem uma tensão de 1V, então 1C de carga é armazenado nele. Se um coulomb tem 6.241 × 10 ¹⁸ elétrons, então deve haver 6.241 × 10 ¹⁸ elétrons nesse capacitor em algum lugar.

Mas agora considere isso. Se eu usar um capacitor como carga para alguma fonte de tensão CA, alguma corrente fluirá (a quantidade precisa, dependendo da tensão, frequência e capacitância):

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Eu sei que a corrente está fluindo por todo esse circuito, porque se eu colocar uma lâmpada em cada lado do capacitor, ela acenderá. Mas se a corrente está fluindo em torno deste circuito, como o capacitor "armazena carga"? Em outras palavras, como posso colocar elétrons no capacitor se a corrente está circulando pelo circuito, o que significa que, para todos os elétrons que coloquei no capacitor, o mesmo número sai do outro lado? Se não consigo colocar elétrons sem tirar alguns, então como o capacitor pode armazená-los?

É fácil. Um capacitor não armazena carga, ele armazena energia . A carga líquida em um capacitor completo (em vez de considerar uma única placa ou o isolador) nunca muda. Um aumento de carga negativa em uma placa é exatamente equilibrado por uma diminuição na carga negativa na outra placa. Portanto, quando a corrente entra em um terminal, uma corrente igual deve sair do outro terminal.

Essa é a versão dos desenhos animados, mas funciona na minha cabeça.

Há um espaço isolante no capacitor, de modo que os elétrons individuais não podem viajar de um terminal para o outro. Então os elétrons entrando não são os mesmos saindo do outro lado! Em vez disso, os elétrons recebidos "param" em uma placa. Mas o campo elétrico desse elétron repele um elétron do outro lado, que sai da outra placa, chegando finalmente à fonte. Temos um circuito completo, mas elétrons estão se acumulando em uma placa e buracos estão se acumulando na outra!

Agora, há um limite para quantos elétrons podem acumular-se na placa. Os elétrons se repelem; portanto, quanto mais existem, mais difícil fica para outro ficar. Precisamos de algo que os force a permanecer juntos no prato. Isso é voltagem. Por outro lado, o fato de os elétrons estarem tentando se repelir também é uma tensão, uma força que tenta mover elétrons ao redor de um circuito.

Agora, quando um elétron de entrada derruba um da outra placa, o elétron de saída tem menos energia que o de entrada, o que é responsável pela queda de tensão no capacitor carregado.

É claro que os elétrons não estão parados, mesmo que não haja lugar para eles irem em uma escala macro. Todos estão se repelindo, "pulando" do campo elétrico um do outro. Se esses campos ficarem muito intensos (a tensão fica muito alta), as interações podem fazer com que um elétron penetre na barreira dielétrica entre as placas. Quando a tensão nas placas fica muito alta, a corrente de fuga da tampa aumenta. E se isso demorar demais, o dielétrico fica danificado e você não tem mais uma tampa muito boa.

Carga pode significar muitas coisas. Podemos falar sobre carregar um capacitor com energia, como cobramos bombas ou cartões de crédito pré-pagos. Também podemos suportar a carga elétrica , medida em coulombs.

Cerca de 6.241 × 10 ¹⁸ elétrons produzem 1C de carga. No entanto, quando as pessoas falam sobre carga em um capacitor , elas não estão falando sobre elétrons em um capacitor, como se falasse sobre cookies em um pote de biscoitos. Eles estão falando sobre outra coisa. É confuso, mas é o que eles fazem de qualquer maneira.

O que eles estão realmente falando é a integral da corrente. Ou seja, a corrente média que está fluindo, vezes quanto tempo está fluindo. Se a corrente é medida em amperes e o tempo em segundos, quando você toma a corrente e a multiplica por tempo, obtém algo medido em ampères-segundos. E, se você se lembra, um ampère significa um coulomb por segundo. Portanto:

Ou seja, um segundo de ampère é um coulomb. A integral da corrente é a carga . Portanto, quando alguém diz que um capacitor está "armazenando 1C de carga", isso não significa que haja 1C de elétrons no capacitor, significa que 1C de carga passou pelo capacitor. O capacitor está "armazenando" tanta carga no sentido de que agora contém energia suficiente para empurrar 1C de carga de volta para o outro lado.

É melhor pensar em um capacitor como um dispositivo de armazenamento de energia do que como um dispositivo de armazenamento de carga. Quando a corrente flui para um capacitor, uma tensão se acumula nos terminais. Essa tensão é separada pela distância entre as placas e, portanto, cria um campo elétrico. Este campo é onde a energia é armazenada. Os indutores, por outro lado, armazenam energia com campos magnéticos.

À medida que a corrente flui, cargas opostas se acumulam em cada placa oposta do capacitor. Os elétrons estão tentando contornar o circuito, mas são parados na placa do capacitor, deixando uma carga negativa de um lado e uma carga positiva do outro. A magnitude de cada carga pode ser descrita pela equação:

C = Q / V

A corrente continuará fluindo e a carga continuará acumulando até que o circuito com o capacitor esteja estável. Por exemplo, se o circuito fosse simplesmente uma bateria, um resistor e um capacitor em série, a corrente continuaria a fluir até que a tensão do capacitor fosse igual à tensão da bateria. Assim, em um circuito CC de estado estacionário, onde nenhuma corrente está sendo alterada, um capacitor aparece como um circuito aberto com a carga acumulada proporcional à tensão nos terminais e à capacitância.

No entanto, para qualquer circuito que não seja CC, a melhor maneira de descrever o comportamento dos capacitores é:

I = C * (dV / dt)

Portanto, se você tiver uma fonte de tensão de onda senoidal, a corrente que flui "através" do capacitor muda constantemente e a carga acumulada nunca é constante. Imagine inclinar uma garrafa de água meio cheia para frente e para trás. A água não está fluindo continuamente como corrente em um circuito CC, mas ainda está funcionando. Se você tivesse algum dispositivo de turbina bizarro na garrafa de água, ele estaria constantemente girando, parando apenas para mudar de direção quando a garrafa fosse inclinada para o outro lado.

Finalmente, em um circuito CC, cargas iguais e opostas são armazenadas em cada placa lateral do capacitor. O capacitor não armazena elétrons. Ele armazena uma taxa. Os elétrons de um lado viajam por todo o circuito para o outro lado, provocados por uma diferença de tensão externa. O resultado é uma concentração de elétrons de um lado e uma ausência do outro, uma carga. Em um circuito CA, esse mesmo fenômeno ocorre, mas está constantemente mudando. Assim que a tensão de alimentação muda, os elétrons não são atraídos para as placas da mesma maneira e começam a se mobilizar. Se esses elétrons passarem por uma carga, como uma lâmpada, a caminho, eles funcionarão e a lâmpada acenderá. Assim, a corrente não está realmente fluindo ao redor do circuito. É simplesmente deslizar para frente e para trás como água em uma garrafa. Contudo, tudo o que é necessário para acender a lâmpada está movendo elétrons. A lâmpada não se importa para onde estão se movendo, e seus olhos não conseguem perceber a mudança de direção, desde que a velocidade de comutação seja rápida o suficiente.

Gostaria também de observar que estamos falando sobre capacitores ideais. Na prática, em frequências altas o suficiente, os capacitores parecerão indutores (V = L * (di / dt)).

Editar:

Para responder à pergunta específica: Onde está a carga armazenada em um capacitor?

Dentro de um capacitor completo, nenhuma carga líquida é armazenada. No entanto, usando o modelo de placa paralela , cargas iguais e opostas de magnitude Q estão localizadas em cada uma das placas. Quando uma voltagem externa é aplicada a um capacitor, os elétrons fogem da placa com maior potencial e são atraídos para a placa com menor potencial. Esses elétrons acumulados formam uma carga negativa nessa placa e a ausência de elétrons da outra placa forma uma carga positiva. A magnitude real de cada carga total Q é determinada pela tensão V e pela capacitância C.