O capacitor como armazenador de energia

Currículos: AP2, A-level, Tle, Sek I/II

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Objetivo

Verificar que um capacitor carregado armazena energia e pode alimentar uma lâmpada.

A montagem

Uma fonte de 6 V, um interruptor (fechado), um resistor de 10 Ω e um capacitor de 0,47 F em série (um capacitor com essa capacitância é um supercapacitor: um conjunto de células com baixa resistência interna, com tensão nominal de 6 V ou mais); em paralelo com o capacitor — uma lâmpada de 6 V / 0,5 W e um voltímetro. Ao abrir o experimento, o capacitor está descarregado e começa a se carregar.

Procedimento

1. Espere cerca de 20 s, até que a leitura do voltímetro pare de subir, e anote-a.
2. Abra o interruptor e observe a lâmpada e o voltímetro.
3. Calcule a energia armazenada \(W = C \cdot U^2 / 2\) a partir da tensão do passo 1.

Resultado esperado

Depois que o experimento é aberto, o brilho da lâmpada aumenta à medida que o capacitor se carrega; após 15–20 s a tensão nele se estabiliza em cerca de 5,2 V — parte da tensão cai no resistor de 10 Ω. Depois que o interruptor é aberto, a lâmpada não se apaga de imediato, mas vai enfraquecendo aos poucos ao longo de cerca de meio minuto: ela é alimentada pelo capacitor, e a tensão nele diminui. A energia armazenada é de cerca de 0,47 · 5,2² / 2 ≈ 6,3 J.

Questões

1. De onde vem a energia quando o interruptor está aberto?
2. Como mudará o tempo em que a lâmpada fica acesa se você usar um capacitor com o dobro da capacitância?

Respostas

1. Do campo elétrico do capacitor carregado. Enquanto o interruptor estava fechado, a fonte armazenou nele cerca de 6,3 J; depois que o interruptor é aberto, o capacitor se descarrega pela lâmpada, e sua tensão diminui à medida que essa energia se transforma em calor e luz no filamento.
2. O tempo em que a lâmpada fica acesa dobra, para cerca de um minuto. Com os mesmos 5,2 V o capacitor armazena o dobro da energia, cerca de 12,7 J, e para cada tensão a lâmpada consome a mesma corrente, então a tensão cai duas vezes mais devagar; a carga no passo 1 também leva o dobro do tempo.