Capacitor eletrolítico: como funciona?

Por quê o capacitor eletrolítico tem polaridade? Por quê tem um limite de tensão? Estas e outras perguntas são respondidas neste post.

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Dentro do capacitor eletrolítico

Por quê os capacitores eletrolíticos possuem maior capacitância do que os de cerâmica e poliéster? Porque o dielétrico ou isolante é mais fino. Portanto, a capacitância é maior devido a menor distância entre as placas condutoras. O isolante é feito de óxido do elemento usado, por exemplo, em um capacitor de alumínio, o isolante entre os condutores é feito de óxido de alumínio.

A camada fina de óxido é criada com a reação eletroquímica chamada de anodização. O material a ser anodizado e o catodo ficam imersos em um eletrólito. O catodo deve ser feito de um material que não reaja com o eletrólito, como por exemplo, grafite, chumbo, aço ou o mesmo metal do ânodo. Ambos devem ser ligados a uma fonte de tensão CC. Fonte: Polimento AT.

O capacitor eletrolítico é construído de forma assimétrica. O ânodo é feito de alumínio (Al), tântalo (Ta), nióbio (Ni), titânio (Ti), zircônio (Zi) ou háfnio (Hf). Enquanto o catodo é feito de um eletrólito sólido, líquido ou em gel, que envolve o ânodo e o dielétrico. A composição química do eletrólito depende do material das placas do capacitor. E o catodo é ligado a uma folha de metal, que é ligada ao terminal externo.

capacitor eletrolítico por dentro — O capacitor eletrolítico de alumínio é o mais comum. A folha de papel serve para portar o eletrólito. Fonte: Tech Sul Eletrônicos.

estrutura do capacitor eletrolítico — Entre o papel com eletrólito (*paper spacer*) e a placa de metal do catodo (*cathode foil*), há uma camada de óxido (*air based oxide layer*) mais fina do que no dielétrico (*dielectric*). Esta camada foi criada naturalmente devido à reação com o oxigênio e serve para proteger o eletrodo da corrosão. Fonte: Mundo Projetado.

Representação de capacitores. — Representação dos capacitores nos esquemáticos. Fonte: Como fazer as coisas.

Por quê o capacitor eletrolítico é polarizado?

A tensão no ânodo deve ser mais positiva do que no catodo. O que acontece se a polaridade do capacitor for invertida em um circuito? Quando o capacitor é polarizado corretamente, a camada de óxido de metal é formada, devido à reação de anodização. Esta camada de dielétrico tem nanômetros de espessura.

Quando um campo elétrico é aplicado corretamente, os íons $Al^{+3}$ são formados devido à reação de oxidação. O eletrólito (*electrolyte*) contém íons $O^{2-}$ e $OH^{-}$ , derivados da água. Estes íons se encontram para formar a camada de óxido (*oxide layer*). Fonte: (Poinern et al., 2011).

A equação geral da formação da camada de óxido.

$2Al+3H_{2}O\rightarrow Al_{2}O_{3}+3H_{2}$

Se o capacitor for polarizado de forma reversa, a camada de óxido é destruída, criando um curto-circuito. Logo, a corrente de fuga aumenta grandemente, criando um sobreaquecimento. Além disto, em tensão reversa, os íons hidrogênio no eletrólito serão atraídos pelo polo negativo, chegarão na placa metálica e serão convertidos em gás hidrogênio ( $H_{2}$ ), pois receberão elétrons. Este gás vai aumentar a pressão dentro do capacitor, fazendo-o explodir.

Um vídeo educativo, que mostra capacitores de vários tamanhos sendo destruídos.

Polaridade do capacitor eletrolítico. — Os capacitores eletrolíticos sempre indicam onde o polo negativo deve ser ligado. Este tipo de capacitor não pode ser usado em corrente alternada. Fonte: Wikimedia.

Por quê tem limite de tensão?

Porque com a sobretensão, o dielétrico não é mais isolante e passa a conduzir corrente. Da mesma forma que surgem arcos voltaicos no ar, com tensão suficientemente alta e distância pequena. Também aumentará a corrente de fuga, o que causa o sobreaquecimento do capacitor e possível explosão.