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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS UNIDADE ACADÊMICA DE FÍSICA LABORATÓRIO DE ÓPTICA, ELETRICIDADE E MAGNETISMO Engenharia Fácil Elemento Resistivo Linear e Não Linear Professor: Laerson Duarte Da Silva Turma: 01 Campina Grande - PB 2021 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 3 1.1 Objetivo Geral ....................................................................................................... 6 2 MATERIAIS UTILIZADOS ...................................................................................... 6 3 DESENVOLVIMENTO ............................................................................................. 7 4 CONCLUSÕES ........................................................................................................... 15 5 ANEXOS .................................................................................................................... 16 6 REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 31 3 1. INTRODUÇÃO É chamado de elemento resistivos linear aquele em que a razão entre a d.d.p. aplicada V e a intensidade I da corrente que o atravessa é uma constante, isto é: V/I = R = constante (qualquer que sejam V e I) Esta constante de proporcionalidade é a chamada “resistência” do elemento. Esta relação é conhecida como Lei de Ohm, e a curva característica V x I para tais elementos é uma reta, como mostra a figura 1. É isto que caracteriza os materiais ôhmicos. Figura 1: Curva característica de um elemento linear. Para outros materiais, a relação entre a d.d.p. aplicada a V e a corrente I que o atravessa não é constante. Logo, estes materiais não obedecem à Lei de Ohm. Consequentemente a curva formada por V x I não é uma reta, como demostra a figura 2. Figura 2: Curva característica de um elemento não linear. Para esses tais materiais que não obedecem à Lei de Ohm é definida a relação de “resistência aparente”, expressada pela seguinte relação: R(ap) = V/I. Esta relação, como podemos observar, varia de ponto para ponto na curva característica, ou seja, a resistência 4 depende das condições a que esteja submetido elemento, como tensão, temperatura, intensidade luminosa, etc. Para descobrir se um elemento obedece à Lei de Ohm é necessário levantar uma curva característica do material, ou seja, submetê-lo a diversas diferenças de potenciais e medir simultaneamente a corrente e a tensão que o atravessa, e em seguida traçar um gráfico V x I. Para isso ser realizado existem duas alternativas de montagem − a montante e jusante. Na montagem a montante, a corrente que atravessa o elemento I(R) é a mesma que atravessa o amperímetro I(a); I(R) = I(a) (figura 3). Figura 3: Montagem a Montante - Voltímetro antes do Amperímetro. Porém, a d.d.p., medida pelo voltímetro V(v) é a queda de potencial através do resistor V(R) mais a queda de potencial V(a) devido à resistência interna do amperímetro R(a), que nunca é rigorosamente igual a zero, ou seja: V(v) = V(R) + V(a) → V(v) = R.I(a) + R(a).I(a) Como essa resistência interna do amperímetro não é numa, é possível que haja discrepância (diretamente proporcional a resistência interna do amperímetro) entre a leitura do voltímetro e a d.d.p., a que está submetido o elemento. Já na montagem a jusante, a d.d.p., a que está submetido o resistor V(R) é aquela medida pelo voltímetro V(v): V(v) = V(R) (figura 4). 5 Figura 4: Montagem a Jusante - Voltímetro após o amperímetro. Porém, a corrente medida pelo amperímetro I(a) será a soma das correntes que atravessam o voltímetro I(v) e o elemento I(R): I(a) = I(v) + I(R). Portanto, a resistência do elemento (R) (r(V)>>R), haverá uma sensível discrepância entre a leitura e a corrente que passa pelo elemento. Logo, constata-se, que a montagem a montante é indicada para casos em que a resistência a medir é muito maior que a interna do amperímetro, e a jusante é indicada para os casos em que a resistência interna do voltímetro seja muito maior que a resistência a medir. O diodo é um dispositivo que que possui propriedades de um retificador, ou seja, deixa a corrente passar livremente por um sentido, e quase não a deixa no sentido oposto - respectivamente, diodo “diretamente polarizado”, e “inversamente polarizado”. No presente experimento foi usado somente o diodo diretamente. Noutras palavras, é possível considerar o diodo como um dispositivo que apresenta resistência de polarização direta quase nula, e resistência de polarização inversa R(i) altíssima. Figura 5: Diodo diretamente proporcional. A figura 6 mostra a relação entre corrente e tensão para o diodo ideal. E a figura 7 mostra a mesma relação para um diodo real. 6 Figura 6: diodo ideal. Figura 7: diodo real. 1.1 Objetivo geral O objetivo do experimento é determinar experimentalmente as curvas características de elementos resistivos, e com isso estabelecer circuitos que minimizam os erros na determinação da resistência, devidos ao voltímetro e ao amperímetro. Pelas montagens a montante ou jusante. 2. MATERIAIS UTILIZADOS • Prancheta com bornes de ligação • Amperímetro • Voltímetro • Diodo 7 3. DESENVOLVIMENTO MONTAGEM À MONTANTE No circuito abaixo, anote na tabela abaixo, os valores de I e V para cada resistor fornecido. O potenciômetro P de 47 K deve estar inicialmente na posição de resistência máxima. Com isso, foi possível construir as Tabela 4 - R1 = 560 e a Tabela 5 - R2 = 10 k Tabela 4 - R1 = 560 : Tabela 1 - R1 = 560 I(mA) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V(mV) 57,8 120,6 128,4 255,8 383,0 385,3 445,0 503,0 563,0 627,0 Gráfico da curva V x I com resistor R1 = 560 8 A partir dos dados oferecidos e traçado o gráfico é possível calcular a resistência com a inclinação obtida, por m = (Yb – Ya) / Xb – Xa. Assim, obteve-se uma resistência de 632,4 . Posteriormente, foi calculado o desvio percentual de 1,4 % em comparativo com o resistor de comparação de 560. Tabela 2 - R2= 10 K I(mA) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V(V) 0,934 1,932 2,899 4,070 5,110 6,140 7,130 8,070 9,010 10,02 Gráfico da curva V x I com resistor R2 = 10 k De maneira análoga ao anterior foi calculada a resistência a partir da inclinação obtida, por meio da expressão m = (Yb – Ya) / Xb – Xa. Dessa forma, obteve-se uma resistência de 10,1 . E posteriormente, foi calculado o desvio percentual de 0,99 % em comparativo com o resistor de comparação de 10 K. Com base no esquema anterior foi possível calcular a resistência do próprio amperímetro sem especificação da resistência, a partir da tabela fornecida. 9 Esquema de montagem a montante de amperímetro. Tabela 3 – Resistência do amperímetro I(mA) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V(mV) 5,6 11,9 19,1 25,1 32,3 38,4 45,0 51,0 56,8 62,8 A partir dos dados da tabela foi traçado o gráfico V x I do amperímetro. De maneira análoga a anterior foi calculada a resistência a partir da inclinação obtida pela reta do gráfico, por meio da expressão m = (Yb – Ya) / Xb – Xa. Obtendo, assim uma resistência de 63,6 . MONTAGEM À JUSANTE No circuito abaixo foram obtidos os valores de I e V para cada resistor fornecido. O potenciômetro P de 47 K deve estar inicialmente na posiçãode resistência máxima. 10 Esquema de montagem a jusante Com isso, foi possível construir as Tabela 4 - R1 = 560 e a Tabela 5 - R2 = 10 k Tabela 4 - R1 = 560 I(mA) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V(mV) 49,4 107,4 169,8 229,0 289,0 344,0 400,0 453,0 506,0 561,0 Gráfico da curva V x I com resistor R1 = 560 A partir dos dados oferecidos é possível calcular a resistência com a inclinação obtida, que foi fornecida por m = (Yb – Ya) / Xb – Xa. Com isso obteve-se uma resistência de 568,4 . Com isso, foi possível obter um desvio percentual de 1.5%, em comparativo com o resistor de comparação de 560. Tabela 5 - R2 = 10 k 11 I(mA) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V(V) 0,97 1,94 2,99 4,04 5,12 6,13 7,08 8,06 8,96 9,94 Gráfico da curva V x I com resistor R2 = 10 k A partir dos dados oferecidos é possível calcular a resistência com a inclinação obtida, que foi fornecida por m = (Yb – Ya) / Xb – Xa. Com isso obteve-se uma resistência de 9,96 k. Com isso, foi possível obter um desvio percentual de 0,4%, em comparativo com o resistor de comparação de 10 k. CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO No circuito abaixo, foram anotados os valores de I e V para cada resistor fornecido e o potenciômetro P de 47 K estava inicialmente na posição de resistência máxima. Para o circuito à montante: 12 Tabela 6 – Diodo Montagem à Montante Gráfico da curva caracteristica I x V do diodo polarizado para o circuito à montante. Para o circuito à jusante: Tabela 6 – Diodo Montagem à Jusante V(mV) 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 I(A) 0,04 0,13 0,37 1,12 3,21 8,50 20,64 41,80 - - V(mV) 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 I(A) 0,048 0,121 0,252 0,464 0,730 1,058 1,408 1,794 12,190 - 13 Gráfico da curva caracteristica I x V do diodo polarizado para o circuito à jusante. Portanto, traçando em papel milimetrado a curva característica I x V do diodo diretamente polarizado para os circuitos a montante e jusante no mesmo sistema de eixos cartesianos: 14 Analisando o gráfico, conclui-se que é um diodo real, e essa curva é denominada de curva não ôhmica, já que o diodo não segue a lei de Ohm e possui uma dependência não linear com a tensão aplicada em seus terminais. Ademais, é possível observar os três quadrantes da curva: a polarização direta onde o diodo atua como condutor; a polarização reversa onde o diodo atua como um componente dielétrico, não permitindo a passagem de corrente; e o quadrante de ruptura, onde a tensão de ruptura do diodo é atingida e ele atua novamente como um condutor, permitindo a passagem de corrente no sentido contrário. Por fim, também é possível observar que se o diodo atuar como um componente condutor, ele pode provocar uma queda de tensão no circuito. 15 4. CONCLUSÃO A partir dos dados obtidos, observou-se que a montagem a montante é de fato mais indicada quando a resistência a ser medida é maior que a resistência interna do amperímetro. Embora não se possa afirmar o valor da resistência interna do amperímetro, sabe-se que a mesma é diferente de zero e é pequena. Pode-se levar em consideração algumas fontes de erros tais como: a indicação de corrente no amperímetro; a medição realizada pelo voltímetro; o erro de paralaxe na leitura realizada no voltímetro; a resistência existente nos cabos (ainda que desprezíveis); o desgaste dos resistores. O diodo diretamente polarizado apresenta baixa resistência, mesmo o diodo sendo um elemento resistivo não linear, pode-se concluir que a montagem mais apropriada para medir a resistência do diodo é a jusante, pois tem-se resultados mais satisfatórios quando a resistência a medir for pequena. Dessa forma, pode-se dizer que os objetivos deste relatório foram atingidos com êxito, visto que os erros obtidos não fugiram da idealidade do experimento. 16 5. ANEXOS MONTAGEM À MONTANTE CÁLCULO PARA CONSTRUÇÃO DO GRÁFICO V x I COM O RESISTOR R2 = 560K: Escala em x Inclusão da origem Valor maior em x / 2 1,0 / 2 = 0,5 (inclui o 0) Módulo da escala em x (150 mm valor estipulado para o cálculo) Mx = Lx / (Xf – X0) Mx = 150 mm / (1,0 – 0) Mx = 150 mm/ a Equação da escala em x Lx = 150 (X – X0) Lx = 150X Passo usado Δlx= 20 mm Degrau da escala em Δx Δlx = 150 Δx 20 mm = 150 mm Δx Δx = 20 / 150 Δx = 0,13 ~ 0,10 a 17 Escala em y Inclusão da origem Valor maior em y / 2 627 / 2 = 313,5 (inclui o 0) Módulo da escala em y (100 mm valor estipulado para o cálculo) My = Ly / (Yf – Y0) My = 100 mm / (627- 0,0) My = 100 / 627 My = 0,16 ~ 0,20mm/v Equação da escala em y Lx = 0,2 (Y – Y0) Lx = 0,2 Δy Passo usado Δly= 20 mm Degrau da escala em Δy Δly = 0,2 Δy 20 mm = 0,2 mm Δy Δy = 20 / 0,2 Δy = 100 v Calculo para a resistência encontrada no gráfico V x I com resistor R1 = 560 m = (Yb – Ya) / Xb – Xa m = (627 – 57,8) / 1,0 – 0,1 18 m = 569,2 / 0,9 = 632,4 Desvio percentual no gráfico V x I com resistor R1 = 560 Dpercentual: [δ(%)] = VALOR MEDIDO − VALOR TEÓRICO VALOR TEÓRICO × 100% Dpercentual = 560 − 632,4 632,4 × 100% Dpercentual = 11,4 % CÁLCULO PARA CONSTRUÇÃO DO GRÁFICO V x I COM O RESISTOR R2 = 10K: Escala em X é a mesma do anterior. Escala em y Inclusão da origem Valor maior em y / 2 10,02 / 2 = 5,01 (inclui o 0) Módulo da escala em y (100 mm valor estipulado para o cálculo) My = Ly / (Yf – Y0) My = 100 mm / (10,02 - 0) My = 100 / 10,02 My = 9,98 ~ 10mm/v Equação da escala em y Lx = 10 (Y – Y0) Lx = 10 Δy Passo usado Δly= 20 mm 19 Degrau da escala em Δy Δly = 10 Δy 20 mm = 10 mm Δy Δy = 20 / 10 Δy = 2 v Calculo para a resistência encontrada no gráfico V x I com resistor R1 = 560 m = (Yb – Ya) / Xb – Xa m = (10,02 – 0,934) / 1,0 – 0,1 m = 9,086 / 0,9 = 10,1 Desvio percentual no gráfico V x I com resistor R1 = 560 Dpercentual: [δ(%)] = VALOR MEDIDO − VALOR TEÓRICO VALOR TEÓRICO × 100% Dpercentual = 10 − 10,1 10,1 × 100% Dpercentual = 0,99 % CÁLCULO PARA CONSTRUÇÃO DO GRÁFICO V x I PARA RESISTÊNCIA DO AMPERÍMETRO: Escala em X é a mesma do anterior. Escala em y Inclusão da origem Valor maior em y / 2 62,8 / 2 = 31,4 (inclui o 0) Módulo da escala em y (100 mm valor estipulado para o cálculo) My = Ly / (Yf – Y0) My = 100 mm / (62,8 - 0) 20 My = 100 / 62,8 My = 1,59 2mm/v Equação da escala em y Lx = 2 (Y – Y0) Lx = 2 Δy Passo usado Δly= 20 mm Degrau da escala em Δy Δly = 2 Δy 20 mm = 2 mm Δy Δy = 20 / 2 Δy = 10 v Calculo para a resistência encontrada no gráfico V x I com resistor R1 = 560 m = (Yb – Ya) / Xb – Xa m = (62,8 – 5,6) / 1,0 – 0,1 m = 57,2 / 0,9 = 63,6 MONTAGEM A JUSANTE Calculo para construção do gráfico V x I com resistor R1 = 560 Escala em x Inclusão da origem Valor maior em x / 2 1,0 / 2 = 0,5 (inclui o 0) Módulo da escala em x (150 mm valor estipulado para o cálculo) Mx = Lx / (Xf – X0) Mx = 150 mm / (1,0 – 0) 21 Mx = 150 mm/ a Equação da escala em x Lx = 150 (X – X0) Lx = 150X Passo usado Δlx= 20 mm Degrau da escala em Δx Δlx = 150 Δx 20 mm = 150 mm Δx Δx = 20 / 150 Δx = 0,13 ~ 0,10 a Calculo para construção do gráfico V x I com resistor R1 = 560 Escala em y Inclusão da origem Valor maior em y / 2 561 / 2 = 280,5 (inclui o 0) Módulo da escala em y (100 mm valor estipulado para o cálculo) My = Ly / (Yf – Y0) My = 100 mm / (561- 0,0) My = 100 / 561 22 My = 0,175 ~ 0,20mm/v Equação da escala em y Lx = 0,2 (Y – Y0) Lx = 0,2 Δy Passo usado Δly= 20 mm Degrau da escala em Δy Δly = 0,2 Δy 20 mm = 0,2 mm Δy Δy = 20 / 0,2 Δy = 100 v Calculo para a resistênciaencontrada no gráfico V x I com resistor R1 = 560 m = (Yb – Ya) / Xb – Xa m = (561 – 49,4) / 1,0 – 0,1 m = 511,6 / 0,9 = 568,4 Desvio percentual no gráfico V x I com resistor R1 = 560 Dpercentual = (V encontrado – V real) / V real Dpercentual = ((568,4 – 560) / 560) x100 Dpercentual = 1,5 % Calculo para construção do gráfico V x I com resistor R1 = 10 k. 23 Escala em x Inclusão da origem Valor maior em x / 2 1,0 / 2 = 0,5 (inclui o 0) Módulo da escala em x (150 mm valor estipulado para o cálculo) Mx = Lx / (Xf – X0) Mx = 150 mm / (1,0 – 0,9) Mx = 150 mm/ a Equação da escala em x Lx = 150 (X – X0) Lx = 150X Passo usado Δlx= 20 mm Degrau da escala em Δx Δlx = 150 Δx 20 mm = 150 mm Δx Δx = 20 / 150 Δx = 0,13 ~ 0,10 a Calculo para construção do gráfico V x I com resistor R1 = 10 k. Escala em y Inclusão da origem 24 Valor maior em y / 2 9,94 / 2 = 4,97 (inclui o 0) Módulo da escala em y (100 mm valor estipulado para o cálculo) My = Ly / (Yf – Y0) My = 100 mm / (9,94 - 0) My = 100 / 9,94 My = 10,06 ~ 10mm/v Equação da escala em y Lx = 10 (Y – Y0) Lx = 10 Δy Passo usado Δly= 20 mm Degrau da escala em Δy Δly = 10 Δy 20 mm = 10 mm Δy Δy = 20 / 10 Δy = 2 v Calculo para a resistência encontrada no gráfico V x I com resistor R1 = 10 K m = (Yb – Ya) / Xb – Xa m = (9,94 – 0,97) / 1,0 – 0,1 m = 8,87 / 0,9 m = 9,96 25 Desvio percentual no gráfico V x I com resistor R1 = 10k Dpercentual = (V encontrado – V real) / V real Dpercentual = ((9,96 – 10) / 10) x100 Dpercentual = 0,4 % CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO Calculo para construção do gráfico I x V com o potenciômetro P = 47 à montante. Escala em x Inclusão da origem Módulo da escala em x (150 mm valor estipulado para o cálculo) Mx = Lx / (Xf – X0) Mx = 150 mm / (900 – 450) Mx = 0,3 mm/ mV Equação da escala em x Lx = 0,3 (X – 450) Passo usado Δlx= 20 mm Degrau da escala em Δx Δlx = 0,3 Δx 20 mm = 0,3 mm Δx Δx = 20 / 0,3 Δx = 60 mV 26 Calculo para construção do gráfico I x V com o potenciômetro P = 47 à montante. Escala em y Inclusão da origem Módulo da escala em y (100 mm valor estipulado para o cálculo) My = Ly / (Yf – Y0) My = 100 mm / (12,190- 0,048) My = 100 / 12,142 My = 8,2 mm/A Equação da escala em y Lx = 8,2 (Y – 0,040) Passo usado Δly= 20 mm Degrau da escala em Δy Δly = 8,2 Δy 20 mm = 8,2 mm Δy Δy = 20 / 8,2 Δy = 2,4 A Calculo para construção do gráfico I x V com o potenciômetro P = 47 à jusante. Escala em x Inclusão da origem Módulo da escala em x (150 mm valor estipulado para o cálculo) 27 Mx = Lx / (Xf – X0) Mx = 150 mm / (900 – 450) Mx = 0,3 mm/ mV Equação da escala em x Lx = 0,3 (X – 450) Passo usado Δlx= 20 mm Degrau da escala em Δx Δlx = 0,3 Δx 20 mm = 0,3 mm Δx Δx = 20 / 0,3 Δx = 60 mV Calculo para construção do gráfico I x V com o potenciômetro P = 47 à jusante. Escala em y Inclusão da origem Módulo da escala em y (100 mm valor estipulado para o cálculo) My = Ly / (Yf – Y0) My = 100 mm / (41,8 – 0,040) My = 100 / 41,76 My = 2,4 mm/A Equação da escala em y Lx = 2,4 (Y – 0,040) Passo usado 28 Δly= 20 mm Degrau da escala em Δy Δly = 2,4 Δy 20 mm = 2,4 mm Δy Δy = 20 / 2,4 Δy = 8,3 A UFCG / CCT / UAF - DISCIPLINA: FÍSICA EXPERIMENTAL II PROFESSOR: ______________________DATA: ____/____/____PERÍODO: 2020.0 ALUNO(A):_____________________________________________TURMA: _____ PREPARAÇÃO - ELEMENTOS RESISTIVOS LINEARES (ERL) E NÃO LINEARES(ERNL) 1. Podemos dizer que a resistência elétrica de um elemento resistivo, em um circuito, será sempre R = V / I (Lei de Ohm)? Explique, resumidamente, quais são as diferenças fundamentais entre um elemento resistivo linear e um elemento resistivo não linear. Os resistores lineares obedecem a Lei de Ohm, e o gráfico VxI se apresenta como uma reta, mas nem todos os dispositivos resistores seguem esse padrão. Os Resistores não- lineares têm uma variação na resistência que depende de V e I, seu gráfico se apresenta como uma curva. Nesses casos o que se pode calcular é sua resistência aparente nesse ponto, dado por: 29 𝑅(𝑎𝑝) = 𝑉/𝐼 2. Esboce o circuito de uma montagem à montante e de uma montagem à jusante. Em que circunstâncias é indicada cada uma dessas montagens? Em que circunstâncias as duas montagens podem fornecer resultados satisfatórios? Montagem a montante dá resultados mais precisos quando a resistência a se medir é muito maior que a resistência interna do amperímetro(R>>R(a)). Já a montagem a jusante é indicada quando a resistência interna do voltímetro é muito maior do que a resistência a se medir(R(v)>>R). Quando estas duas condições são satisfeitas, ambos os métodos apresentam resultados satisfatórios. 3. Esboce a curva característica (I x V) de um elemento resistivo não linear real (diodo). Este elemento possui uma resistência definida? Explique O diodo é um um dispositivo que permite a passagem de corrente apenas em uma direção, ou seja, de um lado a corrente passa com facilidade e do outro há uma resistência muito grande. A resistência do diodo não é constante, varia com a d.d.p., a que ele é submetido. 30 4. Quando a temperatura de um condutor aumenta você espera que a resistência elétrica do mesmo aumente ou diminua? Por quê? Esboce a curva característica (V x I) para o filamento de uma lâmpada de 220W/220V, quando a voltagem aplicada aumenta de 0 até 220 Volts. Em geral aumenta, pois com o aumento da distância entre as moléculas que compõem o material, o resistor se expande e aumenta sua resistência 5. O gráfico abaixo relaciona as intensidades de corrente (I) em dois resistores A e B com as tensões (V) neles aplicadas: a) Calcule a resistência elétrica de A (RA) e de B (RB); 𝑅𝐴 = 𝑉/𝐼 = 6/3 = 2Ω 𝑅𝐵 = 𝑉/𝐼 = 9/3 = 3Ω b) Calcule a resistência equivalente às associações de A e B em série (RS) e em paralelo (RP). 31 𝑅𝑆 = 𝑅𝐴 + 𝑅𝐵 = 2Ω + 3Ω = 5Ω 32 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS NASCIMENTO, Pedro Luiz do. Apostila auxiliar do Laboratório de Eletricidade e Magnetismo da Universidade Federal de Campina Grande, 2019.
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