Os anos pioneiros na história dos capacitores foram uma época em que os capacitores eram usados ​​principalmente para obter uma compreensão inicial da eletricidade, anterior à descoberta até do elétron. Era também um momento para fazer demonstrações de salão, como ter uma fila de pessoas de mãos dadas e descarregar um capacitor através delas. A era moderna dos capacitores começa no final de 1800 com o início da era da aplicação prática da eletricidade, exigindo capacitores confiáveis ​​com propriedades específicas.

POTES DE LEYDEN

Marconi com aparelho transmissor, Publicado no LIFE [Domínio público], via Wikimedia Commons

Um desses usos práticos foi nos transmissores sem fio de Marconi, começando pouco antes de 1900 e na primeira e segunda décadas. Os transmissores acumulavam uma alta tensão para descarregar através de um centelhador e, portanto, usavam capacitores de porcelana para suportar essa tensão. Alta frequência também foi necessária. Estes eram basicamente frascos de Leyden e para obter as capacitâncias necessárias ocupava muito espaço.

MICA

Em 1909, William Dubilier inventou capacitores de mica menores que foram usados ​​no lado receptor para os circuitos ressonantes em hardware sem fio.

Os primeiros capacitores de mica eram basicamente camadas de mica e folhas de cobre unidas como o que era chamado de “capacitores de mica presos”. Esses capacitores não eram muito confiáveis. Sendo apenas folhas de mica pressionadas contra folhas de metal, havia lacunas de ar entre a mica e as folhas. Essas lacunas permitiam oxidação e corrosão e faziam com que a distância entre as placas estivesse sujeita a mudanças, alterando a capacitância.

Na década de 1920, foram desenvolvidos capacitores de mica de prata, aqueles em que a mica é revestida em ambos os lados com o metal, eliminando as lacunas de ar. Com um revestimento de metal fino em vez de folhas mais grossas, os capacitores também podem ser menores. Estes eram muito confiáveis. Claro que não paramos por aí. A era moderna dos capacitores foi marcada por um avanço após o outro para uma história fascinante. Vamos dar uma olhada.

CERÂMICA

MLCCs em torno de um microprocessador. Por Elcap [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Na década de 1920, a mica não era tão abundante na Alemanha, então eles experimentaram novas famílias de capacitores de cerâmica, descobrindo que o dióxido de titânio (rutilo) tinha uma dependência linear da capacitância com a temperatura para compensação de temperatura e poderia substituir os capacitores de mica. Eles foram produzidos em pequenas quantidades no início e em quantidades maiores na década de 1940. Eles consistiam em um disco metalizado em ambos os lados.

Para obter maior capacitância, outra cerâmica, titanato de bário, foi usada, pois tinha 10 vezes a permissividade da mica ou do dióxido de titânio. No entanto, eles tinham parâmetros elétricos menos estáveis ​​e podiam substituir a mica apenas onde a estabilidade era menos importante. Isso foi melhorado após a Segunda Guerra Mundial.

Uma empresa americana lançada em 1961 foi pioneira no capacitor de cerâmica multicamada (MLCC), que era mais compacto e tinha maior capacitância. A partir de 2012, mais de 10^12 MLCCs de titanato de bário são produzidos a cada ano.

ALUMÍNIO ELETROLÍTICO

Capacitor eletrolítico

Na década de 1890, Charles Pollak descobriu que uma camada de óxido em um ânodo de alumínio era estável em uma solução neutra ou alcalina e obteve uma patente em 1897 para um capacitor de bórax eletrólito de alumínio. Os primeiros capacitores eletrolíticos “úmidos” apareceram brevemente nos rádios na década de 1920, mas tinham uma vida útil limitada. Eles foram chamados de “molhados” devido ao seu alto teor de água. Eles eram basicamente um recipiente com um ânodo de metal imerso em uma solução de bórax ou outro eletrólito dissolvido em água. A parte externa do recipiente agia como a outra placa. Estes foram usados ​​em grandes centrais telefônicas para reduzir o ruído do relé.

A patente do ancestral moderno do capacitor eletrolítico foi arquivada em 1925 por Samual Ruben. Ele colocou um eletrólito tipo gel entre o ânodo revestido de óxido e a segunda placa, uma folha de metal, eliminando a necessidade de um recipiente cheio de água. O resultado foi o capacitor eletrolítico “seco”. Outra adição foi um espaço de papel entre as voltas das folhas. Tudo isso reduziu significativamente o tamanho e o preço.

Em 1936, a empresa Cornell-Dubilier introduziu seus capacitores eletrolíticos de alumínio, incluindo melhorias como a rugosidade da superfície do ânodo para aumentar a capacitância. A Hydra-Werke, uma empresa AEG, iniciou a produção em massa em Berlim, na Alemanha, ao mesmo tempo.

Após a Segunda Guerra Mundial, o rápido desenvolvimento da tecnologia de rádio e televisão levou a maiores quantidades de produção, bem como a uma variedade de estilos e tamanhos. As melhorias incluíram a redução de correntes de fuga e resistência equivalente em série (ESR), faixas de temperatura mais amplas e maior tempo de vida usando novos eletrólitos baseados em orgânicos. Outros desenvolvimentos das décadas de 1970 a 1990 também incluíram a redução das correntes de fuga, redução adicional da ESR e temperaturas mais altas.

O que ficou conhecido como “praga do capacitor” ocorreu durante os anos de 2000 a 2005, possivelmente devido ao uso de uma receita roubada, mas sem certas substâncias estabilizantes que levaram à falha prematura.

TÂNTALO ELETROLÍTICO

Um capacitor de tântalo montado em superfície. Por Epop [Domínio público], via Wikimedia Commons

Os capacitores eletrolíticos de tântalo foram fabricados pela primeira vez para fins militares na década de 1930. Estes usaram folhas de tântalo enroladas e um eletrólito não sólido. Na década de 1950, os Bell Laboratories fabricaram os primeiros capacitores de tântalo de eletrólito sólido. Eles transformaram o tântalo em pó e o sinterizaram como um cilindro. A princípio, um eletrólito líquido foi usado, mas eles descobriram que o dióxido de manganês poderia ser usado como um eletrólito sólido.

Embora a Bell Labs tenha feito as invenções fundamentais, em 1954 a Sprague Electric Company fez melhorias no processo, produzindo os primeiros capacitores de eletrólito sólido de tântalo comercialmente viáveis.

1975 viu o surgimento de capacitores eletrolíticos de tântalo de polímero com polímeros condutores de condutividade muito mais alta, substituindo o dióxido de manganês, levando a ESR mais baixo. A NEC lançou seus capacitores de tântalo de polímero em 1995 para SMDs (dispositivos de montagem em superfície) com a Sanyo seguindo o exemplo em 1997.

O minério de tântalo está sujeito a choques de preço e duas dessas ocorrências aconteceram em 1980 e 2000/2001. O último choque levou ao desenvolvimento de capacitores eletrolíticos de nióbio com eletrólito de dióxido de manganês fornecendo propriedades aproximadamente as mesmas dos capacitores de tântalo.

FILME DE POLÍMERO

Capacitores de filme. Elcap [CC-BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

O capacitor de papel metalizado foi patenteado em 1900 por GF Mansbridge. A metalização foi feita revestindo o papel com um aglutinante preenchido com partículas de metal. Eles eram comumente usados ​​no início dos anos 1900 como capacitores de desacoplamento em telefonia (telecomunicações). Durante a Segunda Guerra Mundial, a Bosch melhorou o processo e os fabricou revestindo o papel com laca e usando a deposição a vácuo de metal para revestir. Por volta de 1954, a Bell Labs fez um filme de laca metalizado de 2,5 um de espessura separado do papel, resultando em capacitores muito menores. Este pode ser considerado o primeiro capacitor de filme de polímero.

A pesquisa em plástico por químicos orgânicos durante a Segunda Guerra Mundial resultou nisso indo mais longe. Em 1954, o primeiro
capacitor mylar foi um desses. Mylar foi registrado pela Dupont em 1952 e é um PET (tereftalato de polietileno) muito forte. Em 1954, um capacitor de filme mylar metalizado de 12um foi produzido. Em 1959, a lista incluía capacitores feitos de polietileno, poliestireno, politetrafluoretileno, PET e policarbonato. Em 1970, as concessionárias de energia elétrica estavam usando capacitores de filme sem o papel.

CAMADA DUPLA (SUPERCAPACITORES)

Supercapacitores, Maxwell Technologies, Inc. [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Isso nos leva ao último dos nossos tipos de capacitores, e bastante interessantes com capacitâncias na casa dos milhares de farads. No início da década de 1950, pesquisadores da General Electric usaram sua experiência com células de combustível e baterias recarregáveis ​​para experimentar capacitores com eletrodos de carbono porosos. Isso levou H. Becker a patentear o capacitor como um “capacitor eletrolítico de baixa tensão com eletrodos de carbono poroso”, sem entender o princípio por trás dele que leva à capacidade extremamente alta. A GE não foi mais longe.

A Standard Oil of Ohio desenvolveu outra versão e eventualmente a licenciou na década de 1970 para a NEC, que finalmente a comercializou sob o nome de marca registrada, supercapacitor. Foi classificado em 5,5 V e tinha capacitâncias de até 1 F. Eles tinham até 5 cm ^ 3 de tamanho e eram usados ​​como energia de backup para a memória do computador.

Brian Evans Conway, professor emérito da Universidade de Ottawa, trabalhou em capacitores eletroquímicos de óxido de rutênio de 1975 a 1980. Em 1991, ele descreveu a diferença entre supercapacitores e baterias em armazenamento eletroquímico, dando uma explicação completa em 1999 ao cunhar o termo supercapacitor novamente.

Produtos e mercados cresceram lentamente com nomes de produtos como Goldcaps, Dynacap e PRI Ultracapacitor, sendo este último o primeiro supercapacitor com baixa resistência interna desenvolvido em 1982 pelo Pinnacle Research Institute (PRI) para fins militares.

Desenvolvimentos relativamente recentes no mercado incluem capacitores de íons de lítio que dopam o ânodo de carvão ativado com íons de lítio. Estes têm capacitâncias em milhares de farads (4 dígitos) em torno de 2,7V.

CONCLUSÃO

Com base em seus comentários em resposta ao nosso post History of the Capacitor – The Pioneering Years  , não falta o uso do termo condensador em vez de capacitor. Então, de onde vem o termo capacitor? Isso parece ser desconhecido, mas o Oxford English Dictionary cita o Glossário de Termos em Engenharia Elétrica da BSI (British Standards Institution?) de 1922 que diz que 'capacitor' é um 'novo termo' e sugere que seja usado para evitar confusão com o vapor 'condensador'.

Fonte: HACKADAY