Capacitor com dielétrico

15 de maio, 2020 às 20:35 | Postado em Corrente contínua e alternada, Eletricidade, Eletrostática

Caro professor Lang, mais uma vez, quero deixar minhas congratulações pela sua maestria e competência profissional. Minha dúvida é com relação ao aumento da capacitância de um capacitor quando ligado a uma fonte de tensão constante e com esses sistema capacitor-fonte em equilíbrio eletrostático. Nesta situação, ao inserirmos um dielétrico entre as placas de um capacitor, a capacitância aumenta. No entanto, como que a fonte “sente” que ela deve enviar mais cargas para as placas do capacitor? Posso dizer que houve um gasto de energia pelo agente externo que colocou o dielétrico no capacitor, fazendo com que houvesse aumento de energia no sistema? E com o aumento de energia, há o aumento de carga no capacitor? Grato desde já!

A razão do aumento da capacitância pela introdução de um dielétrico entre as placas foi discutida na postagem Por que a capacitância aumenta quando o dielétrico é introduzido entre as placas?

Naquela postagem foi esclarecido que a razão do aumento está em que o dielétrico, em presença do campo elétrico associado aos excedentes de carga nas placas, se polariza apresentando cargas induzidas que geram um campo elétrico em oposição ao campo das cargas nas placas.

Caso o capacitor não fosse carregado pela fonte de tensão a qual está conectado, a diferença de potencial elétrico entre as placas diminuiria para um valor abaixo da diferença de potencial produzida pela fonte de tensão e portanto o equilíbrio eletrostático dos condutores de conexão das placas com a fonte não mais aconteceria. Enquanto a condição de equilíbrio eletrostático nos condutores de conexão não estiver estabelecida haverá neles uma corrente elétrica com consequente aumento das cargas em excesso nas placas.

Portanto durante o processo de introdução do dielétrico entre as placas o campo elétrico interno aos condutores de conexão da fonte com o capacitor não é nulo (o equilíbrio eletrostático não é válido) e se estabelecem correntes elétricas que cessam quando novamente o equilíbrio eletrostático acontecer. Ou seja, a fonte “sabe” que deve carregar o capacitor por intermédio do aparecimento de um campo elétrico interno aos condutores de conexão dela com o capacitor, produzindo assim uma corrente elétrica.

Um reparo é necessário na afirmação “houve um gasto de energia pelo agente externo que colocou o dielétrico no capacitor“.

A introdução do dielétrico entre as placas de um capacitor carregado, sem estar ligado a uma fonte, diminui a energia eletrostática desse sistema pois a diferença de potencial elétrico diminui e a carga permanece inalterada. O dielétrico é “puxado” para dentro do capacitor por atração eletrostática entre as cargas induzidas e os excedentes de carga nas placas. Portanto o agente externo realiza um trabalho resistente (negativo) quando o dielétrico é introduzido no capacitor e é este trabalho resistente que explica a diminuição da energia eletrostática.

Então com a fonte conectada ao capacitor, é o trabalho resistente (negativo) do agente externo que explica a necessidade da fonte realizar um trabalho motor (positivo) sobre as cargas livres dos condutores de conexão (isto é, produzindo uma corrente elétrica), carregando o capacitor, aumentando a sua energia eletrostática.

“Docendo discimus.” (Sêneca)