Por que os fios não são capacitores?

Um capacitor de placa paralela consiste em dois condutores paralelos com cargas opostas. No diagrama acima, os fios são paralelos e condutores, então eles atuam como placas de capacitor?

Se sim, se você tiver dois fios um ao lado do outro e conectar um capacitor ao final, o capacitor ainda carregará tanto? Como a coisa toda atua como um grande capacitor, a carga não se acumula no capacitor, ela se espalha por todo o fio e o capacitor, o que significa que haverá menos carga no capacitor.

E se isso é verdade, por que a equação da capacitância não leva em consideração a posição dos fios?

Dois fios fazer fazer um capacitor. Apenas uma muito pequena. Para placas paralelas, a capacitância pode ser calculada como:

Onde:

• $\varepsilon$é a permissividade do dielétrico, que é principalmente ar para alguns fios, com$\varepsilon \approx 8.85 \cdot 10^{-12} \mathrm F/\mathrm m$.
• $A$ é a área das placas
• $d$ é a distância entre as placas

Para dois fios comuns em um circuito, $A$ é muito pequeno e $d$é muito grande, comparado às distâncias em seu capacitor típico. Assim, a capacitância é muito, muito pequena, e podemos negligenciá-la na maioria dos casos.

Quanto à sua segunda pergunta, você deve ter cuidado com as palavras que usa. Será que cobram média carga elétrica ou quanta energia você já armazenada no capacitor? Não sou a única pessoa frustrada pelo vocabulário contraditório em torno dos capacitores . Eu farei o meu melhor para ficar claro.

O desequilíbrio de carga se espalha ao longo do fio, em um sentido. Entre os terminais da bateria, ou entre dois pontos ao longo do fio, ou entre as placas do capacitor, você medirá a mesma diferença de potencial com o seu voltímetro. O campo elétrico existe não apenas entre as placas do capacitor, mas entre as duas metades inteiras do circuito.

Dentro do capacitor, o campo elétrico deve mudar do potencial de uma metade para o potencial da outra metade a uma distância muito pequena, apenas a separação das placas ($d$de cima: é pequeno fazer uma alta capacitância). Assim, a força do campo, medida em volts por metro, é mais alta dentro do capacitor.

Até onde a carga elétrica vai, pense da seguinte maneira: metade do circuito possui muitos elétrons e a outra metade não o suficiente. Quando há muitos elétrons, eles querem se mudar para um lugar onde há menos, porque cargas iguais se repelem. Portanto, para a metade com muitos elétrons, o mais próximo que eles podem chegar de um lugar onde há menos elétrons está dentro do capacitor, porque é o mais próximo da outra metade do circuito.

Nem todos os elétrons se acumulam no capacitor, lembre-se, porque isso deixaria o fio com uma carga positiva. Em vez disso, os elétrons se redistribuem para que a diferença de potencial (tensão) seja a mesma em toda parte da metade do circuito. A maioria dos elétrons em excesso acaba no capacitor, precisamente porque é aqui que o campo elétrico é mais forte.

Você também pode pensar nisso para a metade oposta, considerando a ausência de um elétron como um "buraco", uma espécie de portador de carga positiva.

Você também pode pensar em como as cargas elétricas se distribuem dessa maneira: já estabelecemos que os fios têm uma capacitância muito baixa, mas diferente de zero. Capacitância$C$ é apenas outra maneira de dizer quanta carga $Q$ é preciso para fazer uma voltagem $V$ em uma coisa:

Os fios, com baixa capacitância, não sofrem muito desequilíbrio de carga elétrica (elétrons extras ou ausentes) para fazer uma grande mudança na tensão. O capacitor, com uma grande capacitância, leva muito mais desequilíbrio de carga para alterar a tensão. Assim, para tornar as tensões iguais em cada metade do circuito, a maior parte da carga desequilibrada deve terminar no capacitor, não nos fios.

O problema é mais sério do que você descreve, porque não há apenas uma capacitância, mas também uma indutância e resistência, que estão mudando todo o seu design na frequência de ressonância. Uma boa ferramenta para calcular a capacitância de dois fios paralelos é o QuickField e você pode fazer o download da Edição do Estudante gratuitamente.

Nos traços de PCB, alguns valores típicos de capacitância e indutância são

Como você pode ver, há um grande problema, especialmente em altas frequências. Esses elementos parasitas estão em toda parte, e os engenheiros devem levar em consideração os principais parâmetros da aplicação (frequência, tensão, etc.). Você pode ver abaixo os principais elementos passivos do circuito equivalente não ideal que introduz limitações no uso deles.

Resistor

Capacitor

Indutor

Fios e linhas de transmissão

Tamanhos de componentes menores geralmente resultam em parasitas menores. Atualmente, os componentes passivos SMD no PCB permitem um design seguro de vários GHz. Nos fios, as técnicas das linhas de transmissão estão sendo usadas (cabo coaxial, par trançado, cabos de fita, cabo duplo, microstip e tira de linha ...)

Sim, qualquer par de condutores separados por um dielétrico é um capacitor. Organizar os condutores como placas paralelas aumentará a capacitância, pois é proporcional à área da superfície. A página da Wikipedia mostra como calcular a capacitância de diferentes geometrias (você pode verificar os cálculos em um dos livros de referência). Estão incluídas placas paralelas e dois fios. Em circuitos simples, essa capacitância parasitária, como Nick disse, não é um problema. No entanto, em um circuito complexo, como um PCB multicamada com circuitos analógicos e digitais, esse fenômeno pode ser um grande problema.

Os engenheiros da EMC ganham a vida testando e otimizando os circuitos para evitar a capacitância parasitária e a indutância mútua. Lembre-se de que as antenas também são apenas capacitores. A mudança de campo elétrico na antena (capacitor) gera ondas de rádio (campo elétrico). Assim, qualquer fio também é uma antena. Além disso, qualquer laço de fio é um indutor. Todas essas consequências podem ser um grande problema no design de circuitos. É bom que você tenha notado os possíveis problemas.

Fios são capacitores. Sempre que houver uma diferença no potencial de carga à distância, você terá um campo elétrico e, de fato, um capacitor. Se você incluísse a indutância dos fios no seu esquema, descreveria o que é chamado de "linha de transmissão".

Esses princípios são os motivos pelos quais as linhas de energia CA têm um espaçamento conspicuamente consistente em uma determinada voltagem, e também porque os cabos da antena de 300 ohms consistem naqueles dois fios paralelos precisamente espaçados um do outro. Basicamente, globs de carga estão viajando pela rede LC que essas linhas paralelas criam.

Eles nem precisam ser paralelos: uma única peça reta de fio de ouro de bitola zero tem um pouquinho de resistência. Isso significa que há uma ligeira diferença de carga ponta a ponta se a corrente está passando e também pode ser seu próprio dielétrico. O ar, o vácuo, o isolamento etc. ao seu redor também atuam como dielétricos. Como essa não é uma interação placa-placa, mas ao longo de uma linha, o campo segue um padrão oval estendido de ponta a ponta.

É assim que as antenas monopolo e dipolo funcionam. A capacitância é pequena, mas com frequência crescente, torna-se cada vez mais relevante. Com isso combinado com a indutância ao longo do fio, a antena basicamente se torna seu próprio circuito LC e possui uma frequência ressonante. Em frequências mais altas, a resistência aparente devido à indutância faz o próprio fio parecer um dielétrico.

Q = CV ou

carga = capacitância x tensão.

A carga no capacitor real é ditada pela tensão do terminal. A tensão do terminal abaixo de um longo par de fios seria menor no final através de um capacitor regular. Não, não (dado que haverá um pequeno atraso de tempo para a tensão chegar ao fim onde está o capacitor comum).

E a resistência dos fios? Se o capacitor apresentasse vazamento (vazamento CC) e fosse bastante ruim, a resistência em série dos fios cairia alguns milivolts. Obviamente, isso significa que a tensão do terminal no capacitor diminuiu alguns milivolts e a carga seria reduzida.

Como a coisa toda age como um grande capacitor, a carga não se acumula no capacitor, ela se espalha por todo o fio e o capacitor, o que significa que haverá menos carga no capacitor.

Não, haveria mais carga no capacitor, a carga nos fios é adicionada à carga na tampa. Mas como a capacidade de um fio curto é de apenas alguns pF, o efeito é negligenciável na maioria dos casos.

É o dielétrico entre os fios que cria a capacitância. Substitua o dielétrico por um bloco de condução ôhmica e você terá o que é um fio. Basicamente, todo fio tem alguma capacitância e todo capacitor tem certa condutância, geralmente chamada de capacitores com vazamento, mas em ambos os casos, ao lidar com análises agrupadas, assumimos fios ideais (com capacitância zero) e capacitores ideais (com condutância zero)