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Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Linguagem, Tecnologia, Educação e Ciência Laboratório de Física – Campus Florianópolis FUNDAMENTOS DE FÍSICA EM ELETRICIDADE Cursos de Engenharia Civil, Elétrica, Eletrônica e Mecatrônica Paula Borges Monteiro Florianópolis, fevereiro de 2020. Apresentação SUMÁRIO APRESENTAÇÃO NORMAS DE SEGURANÇA NO LABORATÓRIO DE FÍSICA NORMAS PARA USO DO LABORATÓRIO DE FÍSICA LAY-OUT DO LABORATÓRIO DE FÍSICA 1. REVISÃO ERROS E MEDIDAS ................................................................................................ .1 2. MEDIDAS ELÉTRICAS – MULTÍMETRO DIGITAL DE BANCADA ................................................ .11 3. MEDIDAS ELÉTRICAS – MULTÍMETRO DIGITAL PORTÁTIL ....................................................... .19 4. MAPEAMENTO DO CAMPO ELÉTRICO ..................................................................................... 29 5. CAPACITORES DE PLACAS PARALELAS .................................................................................... 37 6. RESISTIVIDADE ELÉTRICA ......................................................................................................... 43 7. RESISTORES ÔHMICOS E NÃO ÔHMICOS ................................................................................ 49 8. ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES E RESISTORES ELÉTRICOS ...................................................... 55 9. RESISTÊNCIA INTERNA DE UM VOLTÍMETRO UM AMPERÍMETRO ........................................ 63 10. CARGA E DESCARGA DE UM CAPACITOR – CIRCUITO R-C ....................................................... 71 11. CAMPO MAGNÉTICO ............................................................................................................... 77 12. CONDUTOR ELETRIFICADO NUM CAMPO MAGNÉTICO .......................................................... 83 13. INDUÇÃO MAGNÉTICA ............................................................................................................ 89 14. TRANSFORMADORES DE INDUÇÃO ......................................................................................... 95 15. RAZÃO CARGA/MASSA DO ELÉTRON ..................................................................................... 105 APENDICES ..................................................................................................................................... 113 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS REQUERIMENTO PARA REPOSIÇÃO DE AULAS Apresentação Apresentação APRESENTAÇÃO Os professores da Assessoria de Física pertencentes ao Departamento Acadêmico de Linguagem, Tecnologia, Educação e Ciência tem consolidada uma prática pedagógica considerada importante, a de propiciar aos nossos alunos a condição da construção dos conhecimentos de Física aliada à atividade experimental. A atividade experimental conduz o aluno à processos de reflexão, de atividades em grupo, de manipulação e compreensão de equipamentos de medidas, de coleta e organização de dados, de entendimento da necessidade de aproximações das medidas , das discrepância entre o comportamento de um fenômeno previsto pelo modelo teórico e aquele resultante dos resultados experimentais. Reconhecer as possíveis regularidades que ocorrerem em um fenômeno, perceber quais as grandezas envolvidas e quais as desprezíveis são desafios para o pesquisador na área das Ciências. O entendimento das Leis da Física possibilita suas aplicações e restrições na tecnologia, sobretudo nas Engenharias. Seja por questões econômicas ou ambientais a elaboração de projetos de engenharia devem atender às demandas de produtos ecologicamente corretos e competitivos. Assim, nossa expectativa é que o conjunto de atividades aqui apresentadas venham colaborar para uma formação integral e cidadã de nossos alunos, conduzindo-os à inclusão ao mundo do trabalho. Os principais objetivos das atividades experimentais são: i) Desenvolver no aluno a habilidade de medir e representar corretamente uma medida, ii) Conhecer grandeza física e algarismos significativos, bem como suas maneiras corretas de representações, iii) Construir e interpretar gráficos, iv) Comparar o modelo teórico com os resultados experimentais, v) Compreender experimentalmente as Leis da Física. As atividades experimentais aqui propostas pretendem tornar esse espaço temporal dinâmico, rico na interação aluno-aluno e aluno-professor, porém não restrito aos tempos no laboratório, no primeiro momento as atividades experimentais ocorrem no laboratório com explanação do professor, entendimento e montagem do aparato experimental, coleta de dados, elaboração de tabelas e gráficos e elaboração do relatório, que será entregue no máximo dois dias da realização do experimento. Apresentação Normas para uso do Laboratório de Física NORMAS PARA USO DO LABORATÓRIO DE FÍSICA O laboratório é um espaço criado para você, portanto, utilize-o com sabedoria. 1. Do laboratório Para melhor desempenho nas atividades experimentais, o estudante deverá fazer uma leitura prévia do texto experimental. Ao chegar ao laboratório, o estudante deverá, aguardar em silêncio as instruções do professor e assinar a lista de presença, que será o comprovante do comparecimento dos alunos nas aulas experimentais. Não será permitida a entrada tardia nas aulas 2. Dos materiais necessários O aluno deverá comparecer às aulas experimentais munido dos seguintes materiais: texto experimental completo, calculadora, lapiseira, borracha, folhas de papel milimetrado A4, semi-log, di-log e régua flexível e transparente com 30 cm de comprimento. Não é permitido ao aluno assistir a aula sem apostila. 3. Dos trabalhos Os trabalhos serão realizados individualmente ou em grupos de dois ou três estudantes, a critério do professor. Os relatórios serão individuais. Cada aluno deve colaborar com o bom andamento das atividades, possuindo as seguintes atitudes: a) Ler atentamente o roteiro e as instruções da experiência a ser executada; b) Examinar cuidadosamente os aparelhos que serão utilizados, de modo a familiarizar-se com seu funcionamento e leitura de suas escalas; c) Procurar executar as medidas com a máxima precisão possível, pois desta execução depende o bom resultado dos trabalhos; d) Apresentar os resultados numéricos com o número correto de algarismos significativos; e) Elaborar os gráficos em papel adequado e anexados na ordem sugerida no relatório; f) Construir o relatório com o nome do autor, elaborando-o com clareza, precisão e objetividade; e sempre que conveniente, ilustrá-lo com esquemas ou desenhos; g) Os relatórios deverão ser elaborados a lápis ou caneta azul. Normas para uso do Laboratório de Física 4. Da entrega dos relatórios a) Os relatórios deverão ser entregues em folha padrão, na data prevista, antes do início da primeira aula do respectivo turno. b) A cada dia posterior ao prazo de entrega estipulado serão descontados três escores do relatório. c) Não serão aceitos relatórios com atrasos superiores a 48 horas, salvo com apresentação de atestado médico. d) A entrega dos relatórios é de responsabilidade do estudante e estes deverão ser depositados na caixa coletora localizada ao lado laboratório. e) Após a divulgação da avaliação do relatório o estudante tem o prazo de 48 horas para solicitar revisão do relatório e da avaliação pelo professor. 5. Da reposição de aula experimental a) O aluno ausente da aula experimental poderá requerê-la por escrito, anexando justificativas e documentos comprobatórios. b) O prazo máximo para entrega do requerimento é de 48 horas após a realização da aula prática. c) A reposição, se deferida, poderá ser realizada através de reposição da aula prática ou atravésde prova escrita, a critério do professor. 6. Da avaliação As atividades experimentais serão avaliadas pelo professor de laboratório, sendo avaliado a aula experimental e o relatório. Para avaliação da aula experimental serão levados em conta aspectos relacionados à postura do aluno durante as aulas experimentais, tais como: disciplina, participação, organização, limpeza e ordem do espaço utilizado, empenho da equipe e da turma. Para avaliação dos relatórios serão levadas em conta: a clareza, concisão e precisão do relatório, a apresentação de tabelas e gráficos, as respostas às questões propostas e as conclusões. Serão atribuídos nota zero ao aluno que não comparecer à aula experimental ou não entregar o relatório. Serão atribuídas nota zero aos trabalhos plagiados. Normas de segurança no laboratório de física NORMAS DE SEGURANÇA NO LABORATÓRIO DE FÍSICA A palavra “laboratório” significa labor = trabalho + oratium (ou oratorium) = local de reflexão. Portanto, laboratório refere-se a um local de trabalho e concentração, não necessariamente perigoso, desde que sejam tomadas certas precauções. Prevenir acidentes é dever de cada um; trabalhe com calma, cautela, dedicação e bom senso. Ao entrar no Laboratório, é indispensável que o aluno esteja trajando roupas adequadas, como calça comprida, camisa ou blusa fechada e calçados fechados. As atividades experimentais desenvolvidas no Laboratório de Física apresentam riscos, seja pelo nauseio incorreto de equipamentos ou de materiais frágeis ou elétricos; aquecimento de sustâncias, e bem como por qualquer imprudência, imperícia ou negligência do próprio experimentador. Para evitar os riscos de acidente no Laboratório de Física é necessário seguir as seguintes normas de segurança: i. Não é permitido o acesso de alunos de bermuda, sandálias abertas ou chinelos; ii. Não é permitido dar carga no telefone celular e outros aparelhos eletrônicos; iii. Os materiais individuais como mochila e pasta, devem ser deixados na prateleira sob a mesa de trabalho. Jamais ao chão; iv. Não é permitido beber e comer no laboratório; v. Não é permitido, utilizar o laboratório sem a presença do professor responsável pela atividade; vi. Não é permitido manusear e utilizar os equipamentos sem a autorização do seu professor. Atente para as normas de segurança descritas nos procedimentos de cada experimento blablablá! Mochila Conversas paralelas Mochila no chão Uso de celular Carga de celular Beber e comer Calçados abertos e bermudas Perigo! substâncias tóxicas Perigo! substâncias radioativas Perigo! raio laser Perigo! cuidado! atenção! Perigo! substâncias inflamável Perigo! eletricidade Perigo! substâncias aquecida LAY-OUT DO LABORATÓRIO DE FÍSICA A figura abaixo apresenta um esboço do Laboratório de Física com o mobiliário (mesas e banquetas) para possibilitar que você localize corretamente sua mesa, equipe, número e assine a lista de presença. L a b o ra tó ri o I I C o rr e d o r J a n e la s m e s a 1 m e s a 2 m e s a 3 m e s a 4 m e s a 6 m e s a 5 m e s a 7 m e s a 8 e q u ip e 1 e q u ip e 3 e q u ip e 2 e q u ip e 4 e q u ip e 8 e q u ip e 7 e q u ip e 6 e q u ip e 5 e q u ip e 9 e q u ip e 1 0 e q u ip e 1 1 e q u ip e 1 2 e q u ip e 1 6 e q u ip e 1 5 e q u ip e 1 3 e q u ip e 1 4 1 Revisão de Erros e Medidas 1 1 Revisão de Erros e Medidas Algarismos Significativos Critérios de arredondamento Se o algarismo situado imediatamente após o duvidoso é maior que 5, acrescenta-se uma unidade ao algarismo duvidoso, abandonando-se os demais. Exemplo: m 82,7m6 682, Se o algarismo situado imediatamente após o duvidoso for menor que 5, conserva-se o algarismo duvidoso, eliminando-se os demais. Exemplo: g32,6 mg 2632,m Se o algarismo após o duvidoso for 5 e for o último algarismo ou se ao 5 só seguirem zeros, o último algarismo a ser conservado só será aumentado de uma unidade se for ímpar. Exemplos: a) s Δt s5524,Δt 6,24 b) 24,6 s s5624, Δt t Quando necessário, devemos utilizar notação científica (potência de dez). Operações com Algarismos Significativos Ao calcular uma medida indireta de duas ou mais medições diretas, o resultado encontrado terá um número diferente de algarismos significativos. Como devemos apresentar o resultado? Multiplicações e divisões: Numa multiplicação ou divisão o resultado deve ter o mesmo número de algarismos significativos que o termo com menos algarismos significativos. 1 Revisão de Erros e Medidas 2 Exemplos a) 22 142cmAcm ,29214cm 8,50cm 16,74A b) smsm s 4,644,600,2 3 v32m ,887v Adições e subtrações: O número de casas decimais do resultado de uma adição ou subtração é igual ao do termo com menor número de casas decimais. Exemplos a) m m m 8,00 m 9,8288,820,2 2m ,887 b) s t t st 67,1321, s7613,60 s13,877 Incerteza de aparelhos de medida Todos os valores experimentais de uma quantidade física têm associado a si uma incerteza relacionada com a escala dos aparelhos de medida. Normalmente, toma-se como erro de leitura de um valor experimental metade do menor divisão da escala do aparelho de medida no caso das escalas contínuas e uma unidade nas escalas discretas, como um cronômetro ou um multímetro digital. 1. Medições Diretas e Indiretas Os resultados práticos podem ser obtidos por medições diretas ou por medições indiretas. Nas medições diretas o valor obtém-se por leitura do instrumento de medida ou por comparação com um padrão como o comprimento obtido com uma régua, a massa obtida com uma balança, o intervalo de tempo medido com um cronômetro. 1 Revisão de Erros e Medidas 3 Nas medições indiretas o valor da grandeza é determinado matematicamente a partir das medições diretas como área de uma superfície ou velocidade. 3. Erros sistemáticos e erros acidentais Os erros associados a uma medição experimental podem ser classificados em erros sistemáticos e erros acidentais. Os Erros sistemáticos são aqueles que podem ser evitados ou cuja magnitude pode ser determinada. Estes erros resultam de métodos inadequados, instrumentação deficiente ou inépcia do experimentador. Os resultados são afetados sempre no mesmo sentido, isto é, ou são sempre superiores ou sempre inferiores ao valor real da quantidade medida. Estes erros podem ser corrigidos usando fatores de conversão adequados ou eliminados por calibração. Os erros acidentais ou aleatórios manifestam-se nas pequenas variações que ocorrem em medições sucessivas feitas pelo mesmo observador, com o maior cuidado, e em condições tão idênticas quanto possível. São, pois, erros que devidos ao experimentador e podem resultar de diversos fatores: leituras do valor por estimativa, erros de paralaxe, etc. Os erros acidentais mudam o resultado em qualquer sentido. 4. Exatidão e Precisão Os erros acidentais ou aleatórios afetam a precisão dos resultados, enquanto os erros sistemáticos afetam a exatidão dos mesmos. Exatidão é a concordância entre o resultado de uma medição ou série de medições e o melhor valor considerado da grandeza. Os erros sistemáticos provocam um erro constante (ou por excesso ou por defeito), afetando, portanto, a exatidão de um resultado. Precisão é a concordância entre uma série de medidas de uma mesma grandeza. Os erros aleatórios afetam a precisão de uma determinação de uma dada grandeza. 1 Revisão de Erros e Medidas 4 Exemplo: concurso de tiro ao alvo Considere os resultados de um concurso de tiro ao alvo representado na figura 1. Figura 1 Vamos chamar de incerteza da medida os desvios evidenciados pela dispersão dos resultados e erro ao desvio ao valor real,quando este é conhecido. 5. Valor mais provável e incertezas em medições diretas Quando se efetuam varia medidas diretas de uma mesma grandeza as várias medições distribuem-se em torno de um valor médio, e cada medição vem acompanhada de um desvio em relação a esse valor médio. O valor final deverá ser apresentado na forma unidade)xΔx(medida Lembrando que para relatar uma medida com sua respectiva incerteza é necessário que: i. As incertezas experimentais devem ser arredondadas para um dígito significativo. ii. O último dígito significativo em uma resposta deve geralmente ser da mesma ordem de magnitude (na mesma posição decimal) que a incerteza. Valor mais provável da grandeza, (valor médio) n 1i ix n 1 x Xi é o valor de cada medição; n é o número de medições. 1 Revisão de Erros e Medidas 5 Desvio de cada valor medido, xxΔx ii Desvio relativo de cada valor medido x xx xΔ ii Incerteza do valor mais provável, (Desvio médio) n 1i iΔx n 1 xΔ O erro de leitura representa o limite superior da incerteza da medida. Desvio Padrão Para um número de medições elevado os resultados distribuem-se em torno de valor médio segundo uma curva Gaussiana (ou distribuição normal). Existe uma possibilidade muito grande (aproximadamente 68%) dos erros acidentais cometidos, quando se fazem várias medições da mesma, grandezas se distribui no intervalo x em torno de um valor x , tido como valor exato como mostra a figura 2. Figura 2 O valor do desvio padrão da curva Gaussiana, dá uma ideia da dispersão dos resultados em torno do valor médio. A precisão é indicada de modo mais claro calculando x/ n 1i 2 i xx 1n 1 σ 1 Revisão de Erros e Medidas 6 Desvio Padrão da média n n 1i 2 ix xx 1)n(n 1 σ Desvio total (erro total) oinstrumentx totalσ Valor experimental totalx x 6. Incerteza em medições indiretas No caso de uma grandeza ser dependente de outras grandezas afetadas de incerteza, X = ƒ(x1, x2,...,xn), o seu desvio máximo é dado por i m 1i i Δx x X ΔX Bibliografia 1. “Física Experimental, uma introdução”, M.C. Abreu, L. Matias, L.F. Peralta, Editorial Presença, 1994”. 2. “Erros e Algarismos Significativos”, A. Costa, Gazeta da Física. 1 Revisão de Erros e Medidas 7 Professor: _________________ Data limite para entrega: ____/_____/____ Equipe: _____ Aluno: _____________________________________________________ Turma: ____ Título . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nota: todos os cálculos devem ser demonstrados e os gráficos anexados. 1. Se medirmos o tempo t, de queda livre de uma partícula, e o espaço h, percorrido na queda, podemos calcular a aceleração da gravidade usando a expressão .2 2thg Se os valores médios medidos são ,m 2,92h 1 e s1,62t calcule a aceleração da gravidade no local. (utilize as regras envolvendo algarismos significativos e duvidosos em operações aritméticas). 2. Considerando agora que os valores médios medidos são s0,01) 1,62(t e ,m 0,05) 2,92(h 1 calcule a aceleração da gravidade no local e seu desvio. (Utilize as regras de propagação dos erros). .) . . . . .. . . . . . . . . .(g 3. Um estudante realizou nove medições da resistência de um resistor, e anotou os dados na tabela abaixo: Medição 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª R() 1,66 1,67 1,64 1,65 1,68 1,69 1,68 1,67 1,65 Calcule o valor que melhor representa a medida da resistência elétrica com sua respectiva incerteza. (considere a incerteza como sendo o desvio padrão da média). .) . . . . .. . . . . . . . . .(R 1 Revisão de Erros e Medidas 8 4. Calcule no SI o volume de um cilindro de raio cm 0,02) r 53,2( e comprimento .cm 0,5),( 012 .) . . . . .. . . . . . . . . .(V 5. A medição do comprimento de um lápis foi realizada por um aluno usando uma régua graduada em mm. Das alternativas abaixo, aquela que expressa corretamente à medida obtida é: a) 12cm b) 120 mm c) 12,00 cm d) 12,0 cm 6. Considere que um estudante (incauto) ao tentar estimar o valor de utilizando um tubo de PVC, com uma única medida, encontrou para o diâmetro e o comprimento utilizando respectivamente paquímetro (resolução 0,05 mm) e régua (menor divisão 1 mm) os valores d = 6,3234 cm e c = 20,038 cm. a) Sabendo que os instrumentos não possuem tal precisão, corrija o estudante representando as medidas com o correto número de dígitos significativos. b) Calcule o valor de estimado experimental com base nestas duas grandezas com respectiva incerteza. c) Calcule o erro relativo da sua medida em percentagem. (Utilize .,t 141593 100 tt t d d 100 d ou 1 Revisão de Erros e Medidas 9 7. Qual das medidas de comprimento abaixo está escrita corretamente? a) mm 0,05)(39,5 b) mm 0,005)(16,05 c) mm 0,5)(32,0 8. Dentre as seguintes medidas, qual é a mais precisa? a) ml 0,1)(1,0 b) ml 0,01)(2,00 c) ml 0,5)(9,8 9. Dentre as seguintes medidas, qual tem a menor maior incerteza? a) ml 0,1)(1,0 b) ml 0,01)(2,00 c) ml 0,5)(9,8 10. Lembrando que as incertezas devem ser dadas com um algarismo significativo, converta os erros das seguintes medidas de velocidades de dois corpos sobre um trilho em erros fracionários e erros percentuais. a) 1 1 2)m.s(50v b) 1 2 4)m.s(40v 11. Reescreva cada uma das seguintes medidas na sua forma mais apropriada: a) m/s 0,031) (7,345236 v b) m 0,1) 10 (3,14562x 2 c) kg )102 10 (4,2689m 5 3 12. A energia cinética de um corpo é 2%;4,59JK reescreva este resultado em termos de sua incerteza absoluta. 13. Um resistor é conectado a uma bateria de tensão nominal como mostra o esquema do circuito abaixo. O valor da tensão medido com o voltímetro foi de V 0,02) ,(V 484 e da corrente medido com o amperímetro foi .mA 4) (i 153 Sabendo que, V=Ri calcule o valor da resistência R do resistor e através de propagação de erros o seu erro ∆R. Reescreva o valor obtido de acordo com a teoria de erros. .) . . . . .. . . . . . . . . .(R 1 Revisão de Erros e Medidas 10 14. Em um experimento para determinar a dependência entre a corrente a tensão elétrica, que passa em um filamento de uma lâmpada, montou-se um circuito com uma fonte de tensão variável, um voltímetro, um amperímetro e uma lâmpada. O valores exibidos no voltímetro e pelo amperímetro foram anotados na tabela abaixo. V(v) 1,04 8,08 12,04 16,04 20,02 24,00 i(A) 0,028 0,089 0,112 0,132 0,150 0,166 a) Construa o gráfico V x i em uma folha A4 com espaço milimetrado. b) Observando o gráfico construído conclui-se que a relação entre V e i é do tipo .iKV n Linearize a equação aplicando o logaritmo à expressão .iKV n c) Construa o gráfico iV em papel di-log. d) Utilize o gráfico para determinar os valores de n e K bem como suas unidades quando houver. e) Utilize os valores n e K e escreva a expressão matemática que relaciona a tensão e a corrente elétrica, na forma niKV para a lâmpada em questão. f) Utilize o aplicativo SciDAVis para construir o gráfico logV em função de logi. g) Determine, a partir do gráfico, o valor de n e de K com suas respectivas unidades e com o número correto de algarismos significativos. h) Escreva a expressão matemática que relacionam as duas grandezas na forma ,iKV n com o número coreto de algarismos significativos. .) . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . (i.) . . .. .. . . . . . . . . .(V 2 Medidas elétricas – Multímetro Digital de bancada 11 2 MEDIDAS ELÉTRICAS – MULTÍMETRO DIGITAL DE BANCADA 1. Objetivos a) Utilizar corretamente um multímetro digital, realizando corretamente as conexões elétricas para as medições de tensão contínua, tensão alternada e resistência elétrica; b) Determinar a resistência elétrica pelo código de cores dos resistores. 2. Introdução teórica 2.1. Medidas elétricas O multímetro digital é um instrumento que pode realizar diversas medidas funcionando como um voltímetro, um amperímetro, um ohmímetro etc. O aparelho apresentando na Figura 1 pode medir tensão contínua, tensão alternada, resistência elétrica, corrente contínua, corrente alternada, capacitância, frequência, temperatura e realizar teste de hFE (transistor), diodo e continuidade, além de gerar sinais de onda quadrada. Figura 1: Multímetro digital de bancada Modelo POL-79C. A medida a ser realizada é determinada pela utilização adequada dos terminais de medida (Figura 2) e das teclas de funções e funções auxiliares (Figura 3). É possível selecionar a grandeza física a ser medida, bem como a sua ordem de grandeza (faixa de medida). 2 Medidas elétricas – Multímetro Digital de bancada 12 (a) (b) (c) Figura 2: A ponta de prova preta sempre deve ser ligada no terminal de entrada COM para todas as leituras. A ponta de prova vermelha deve ser ligada em (a) VHz para medidas de tensão, resistência, testes de diodo, frequência, temperatura e capacitância; em (b) mA para medidas de corrente em mA; e em (c) 20A para medidas de corrente em A. (a) (b) Figura 3: em (a) Teclas de funções em (b0 Teclas de funções auxiliares. É importante nunca exceder o valor máximo permitido à entrada de qualquer função quando realizar uma leitura. Consulte sempre as especificações para os valores máximos de entrada. Durante o procedimento será descrita a maneira correta de utilizar o multímetro para cada medida a ser realizada. 2.2. Código de cores Os valores das resistências elétrica são fornecidas pelo fabricante através de faixas coloridas. Os quadros com os códigos de cores poderão ser consultados no apêndice 2. 2 Medidas elétricas – Multímetro Digital de bancada 13 1º Algarismo significativo (A) 2º Algarismo significativo (B) Fator de multiplicação (C) Tolerância (D) A resistência do resistor é escrito na forma ).DAB(R C 10 Simbologia de componentes eletrônicos 2 Medidas elétricas – Multímetro Digital de bancada 14 3. Materiais necessários a) 1 pilha D; b) 1 multímetro digital de bancada; c) 2 pontas de prova do multímetro de bancada; d) 2 cabos de conexão tipo jacaré-banana; e) 1 cabo de energia; f) 1 resistor cerâmico. 4. Procedimento Parte A: Medida de Tensão Elétrica Nesta parte utilizaremos o multímetro como voltímetro para medir tensão contínua (V--) e tensão alternada (V~). Para medir tensão contínua precisamos selecionar uma das faixas 80 mV, 800 mV, 8 V, 80 V, 800 V ou 1000 V, enquanto para medir tensão alternada precisamos selecionar uma das faixas 80 mV, 800 mV, 8 V, 80 V ou 750 V. Se a tensão de entrada ultrapassar o limite da faixa pode danificar o aparelho. Quando se desconhece a tensão a ser medida, comece sempre pela maior faixa e reduza caso necessário. Se o visor exibir um valor negativo, inverta os fios de pontas de prova. a) Conecte a ponta de prova preta no terminal de entrada COM e a ponta de prova vermelha no terminal VHz do voltímetro. b) Ligue o voltímetro e pressione a tecla V -- de tensão contínua. c) Pressione a tecla auxiliar SELECT para selecionar DCV. d) Para selecionar uma faixa específica pressione a tecla auxiliar RANGE. e) Conecte as pontas de prova sobre a fonte (pilha) a ser testada. f) Selecione a faixa de 1000 V, efetue a leitura no visor e anote na tabela. g) Pressione RANGE para selecionar a faixa seguinte de 800 V, faça a leitura e anote na tabela. Repita o procedimento anterior para todas as faixas de leitura possíveis (da maior para a menor). Faixa (V) 80 m 800 m 8 80 800 1000 Valor medido 2 Medidas elétricas – Multímetro Digital de bancada 15 h) Pressione a tecla V~. Pressione a tecla SELECT para selecionar ACV. i) Para o modo de seleção automática pressione a tecla RANGE e mantenha pressionada, a indicação AUTO será exibida no display. j) Meça a diferença de potencial na tomada do laboratório de física. k) Efetue a leitura no visor e anote. É possível realizar a medida em quais faixas de leitura? Parte B: Medida de Resistência Elétrica Nesta parte utilizaremos o multímetro como ohmímetro para medir resistência elétrica OHM. Para medir resistência podemos selecionar uma das faixas 800 , 8 k, 80 k, 800 k, 8 M ou 80 M. A medida que aparece no visor deve ser acompanhada do prefixo presente na faixa de medida utilizada. a) Conecte os fios de conexão tipo jacaré-banana nos terminais de entrada COM e VHz do ohmímetro pelo lado banana, substituindo as pontas de prova. b) Pressione a tecla OHM. c) Os terminais podem adicionar 0,1 ~ 0,5 à leitura, então curto-circuite os lados jacaré dos fios de conexão e pressione a tecla REL. Isto irá subtrair a resistência dos fios. d) Para selecionar uma faixa específica pressione a tecla auxiliar RANGE. e) Selecione a faixa de 80 M, efetue a leitura no visor e anote na tabela. Faixa (V) 800 8 k 80 k 800 k 8 M 80 M Valor medido f) Repita o procedimento anterior para todas as faixas de leitura possíveis. g) Determine o valor da resistência elétrica pelo código de cores do resistor. 2 Medidas elétricas – Multímetro Digital de bancada 16 2 Medidas elétricas – Multímetro Digital de bancada 17 Professor (a): _______________ Data limite para entrega: ___/____/___ Equipe: ____ Estudante: ___________________________________________Turma: ______ Titulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parte A: Medida de Tensão Elétrica 1. Preencha a tabela a seguir com os valores obtidos (não esqueça o prefixo, quando houver, e a unidade de medida): Faixa (V) Valor medido 80 m 800 m 8 80 800 1000 2. Qual é a faixa de leitura mais apropriada para a medida realizada? Por quê? 3. Qual a diferença de potencial (ddp) na tomada do laboratório de Física? 4. Em quais faixas de medida do voltímetro digital utilizado é possível realizar a leitura dessa diferença de potencial? D e st a q u e e e n tr e g u e a o p ro fe ss o r a té a d a ta p re v is ta 2 Medidas elétricas – Multímetro Digital de bancada 18 Parte B: Medida de Resistência Elétrica 5. Preencha a tabela a seguir com os valores obtidos: Faixa () Valor medido 800 8 k 80 k 800 k 8 M 80 M 6. Dentre os valores medidos expressos na tabela do item 5, qual o mais preciso? Justifique. 7. Qual o valor da resistência elétrica do resistor indicada pelo seu código de cores? )..................(......... R 8. Indique como realizou a leitura, descrevendo as cores presentes no resistor utilizado. 9. Utilize a expressão abaixo e calcule o desvio percentual do valor medido em relação ao valor nominal. (Rt é o valor nominal e Rm é o valor medido). 100 R RR t mt d% 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 19 3 MEDIDAS ELÉTRICAS – MULTÍMETRO DIGITAL PORTÁTIL 1. Objetivosa) Utilizar corretamente um multímetro digital, realizando corretamente as conexões elétricas para as medições de corrente elétrica; b) Determinar incertezas em escalas digitais; c) Utilizar corretamente uma fonte de alimentação DC. 2. Introdução teórica 2.1. Medidas elétricas Como vimos anteriormente, o multímetro digital é um instrumento que pode realizar diversas medidas funcionando como um voltímetro, um amperímetro, um ohmímetro etc. O aparelho apresentando na Figura 1 pode medir tensão contínua, tensão alternada, resistência elétrica, corrente contínua, corrente alternada, capacitância, frequência, temperatura e realizar teste de linha viva, de hFE de transistor, de continuidade e de diodo. Figura 1: Multímetro digital Modelo ET-2042C. 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 20 A medida a ser realizada é determinada pela utilização adequada dos terminais (Figura 2) e pela posição da chave rotativa (Figura 3). É possível selecionar a grandeza física a ser medida, bem como a sua ordem de grandeza. (a) (b) (c) Figura 2: A ponta de prova preta sempre deve ser ligada no terminal de entrada COM para as medidas de tensão, resistência, frequência e corrente, e para os testes de diodo e continuidade. A ponta de prova vermelha deve ser ligada em (a) V Hz para medidas de tensão, resistência e frequência, e para os testes de diodo, continuidade e linha viva; em (b) mA para medidas de corrente nas escalas de mA; e em (c) 20A para medidas de corrente na escala de 20A. (a) (b) Figura 3: em (a) Chave rotativa: posicionada para medir resistência elétrica com valor máximo de 200 M . em (b) detalhe dos terminais de entrada. É importante que as pontas de prova não estejam conectadas enquanto a chave seletora não estiver na posição correta. A utilização de uma escala errada pode danificar o multímetro. Em nenhuma circunstância deve-se mudar a chave seletora com as pontas de prova conectadas! 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 21 Caso não se conheça a melhor escala que deve ser usada em uma medida deve-se iniciar sempre pelas escalas de valor mais alto. Se vamos realizar uma medida cujo valor desconhecemos totalmente, devemos selecionar a maior escala e, a partir da leitura obtida, selecionar a escala mais adequada (a que apresentar a maior quantidade de algarismos significativos). É importante que os multímetros sejam desligados antes de serem guardados. 2.2. Incertezas em Escalas Digitais Nas medições com instrumentos eletrônicos com mostradores digitais, os erros de leitura não são significativos, mas fatores como sensibilidade do instrumento, desvios e tolerâncias dos componentes internos, ruídos eletrônico, etc. limitam a precisão da medição um multímetro digital possui especificações fornecidas pelo fabricante que determinam o limite de erro (L) para uma medida, da forma: digitobleituraa *)%( L Onde a% é o percentual do valor indicado no “display” e b é um número multiplicado pela resolução da faixa de medida. O limite de erro correspondendo a um nível de confiança de aproximadamente 95% pode ser dado por (σ = L/2) Por exemplo, o multímetro utilizado fornece as seguintes especificações para medida de corrente contínua, Faixa Precisão Resolução 20 mA (0,8% + 4D) 10 A 200 mA (1,2% + 4D) 100 A 20 A (2,0% + 5D) 10 mA Quadro 1: Especificações elétricas para medida de corrente contínua. assim, uma leitura correspondendo a 18,02 A tem como erro 18,02 x 2,0% + 5 x 0,01 = 0,3604 + 0,05 = 0,4104. Podemos apresentar essa medida como (18,0 ± 0,4) A. 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 22 No apêndice 1 são apresentados as incertezas fornecidos por diversos modelos de instrumentos de medidas elétrica utilizado no Laboratório de Física. 2.3. Fonte de alimentação DC A fonte de alimentação DC utilizada fornece tensão contínua de até 20 V e corrente contínua de até 5 A. A tensão de saída e corrente de saída são ajustáveis de modo contínuo. O aparelho pode ser utilizado como fonte de tensão constante com limitação de corrente ou como fonte de corrente constante com limitação de corrente. Com o LED cv é indicado que o aparelho está trabalhando como fonte de tensão constante e com o LED cc, que o aparelho opera como fonte de corrente constante. Figura 4: Fonte de alimentação DC, 0 – 20 V, 0 – 5 A (230 V, 50/60 Hz), 3B SCIENTIFIC PHYSICS. (1) fenda de ventilação; (2) indicação de corrente e de tensão; (3) Mostrador de corrente continua (cc); (4) Ajuste de corrente; (5) Conector para aterramento; (6) Ajuste fino de tensão; (7) Interruptor de corrente; (9) Ajuste grosso de tensão continua;(10) Mostrador de tensão. 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 23 Antes de ligar o aparelho, leve o botão de ajuste de tensão e de corrente ao zero (gire totalmente no sentido anti-horário). Para ajustar um valor de corrente limite, inicialmente posicione todos os ajustes para a posição máxima à direita. Faça uma ligação em curto- circuito. No visor aparecerá a corrente máxima fornecida. Ajuste a corrente para o valor desejado. Desfaça o curto-circuito e posicione os ajustes de tensão (lado direito) para a posição máxima à esquerda. Não utilize mais os ajustes de corrente (lado esquerdo). Quando o circuito exigir uma corrente maior que o limite ajustado, a fonte começa a diminuir automaticamente a tensão fornecida e mantém a corrente limite ajustada. 2. Materiais utilizados a) 2 multímetro digital; b) 2 fios de conexão tipo jacaré-banana; c) 1 fio de conexão banana-banana; d) 1 resistor cerâmico; e) 1 cabo de energia; f) 1 fonte de alimentação contínua. 3. Procedimento Experimental Parte A – Medida da resistência elétrica A resistência elétrica pode ser medida diretamente com auxílio do ohmímetro. a) Escolha a função e escala adequada e meça a resistência do resistor. b) Anote, no espaço abaixo, o modelo do ohmímetro utilizado, a faixa utilizada e o valor da resistência elétrica do resistor. ) . . . . . . . . . (.R . . . . . . . . . . . . .:Faixa . . . . . . . . . ohmímetro do Modelo medido 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 24 Parte B - Medidas de Corrente e Tensão Elétrica Utilizaremos o multímetro como amperímetro para medir corrente contínua A--. Observe que para medir corrente contínua precisamos selecionar uma das faixas 20 mA, 200 mA ou 20 A (veja Figura 3). Para medidas de correntes de baixo valor (no máximo 20 mA), conecte a ponta de prova vermelha no terminal de entrada mA e para correntes maiores conecte-a no terminal 20 A (veja Figura 2). Para realizar medida de corrente será necessário a montagem de um circuito elétrico simples: Fonte Resistor Amperímetro Voltímetro Figura 5: Amperímetro ligado a um circuito elétrico composto de uma fonte de tensão e um resistor. O amperímetro deverá ser ligado ao circuito de forma que a corrente passe também pelo instrumento de medida. a) Para estimar a corrente a ser medida e escolher entre os terminais do amperímetro para medida de corrente, utilize a expressão: I = V/R, com I sendo a corrente elétrica estimada, V a tensão aplicada ao circuito e R a resistência (medida) do resistor presente ao circuito. Estime a corrente a ser medida para os seguintes valores de tensão: 1,0 V; 2,0 V; 3,0V; 4,0 V e 5,0 V e anote na tabela a seguir. Este procedimento é importante para a escolha de faixa de medida adequada. V (V) i 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 3 Medidas elétricas – Multímetrodigital portátil 25 b) Após determinar a corrente máxima do circuito, posicione a chave rotativa do amperímetro função de corrente contínua e faixa adequada. c) Conecte a fonte no terminal COM do amperímetro com um cabo banana-banana e o outro terminal do amperímetro a um dos terminais do resistor com o cabo banana-jacaré. d) Conecte o outro terminal da fonte de alimentação ao segundo terminal do resistor (jacaré-banana). e) Ajuste o voltímetro na faixa e função adequada e conecte o Voltímetro em paralelo a fonte. f) Só ligar a fonte de alimentação quando a montagem experimental estiver completamente montada. Para efetuar alterações na montagem da experiência, desligue a fonte de alimentação. Antes de desligar o aparelho, leve o botão de ajuste de tensão e de corrente novamente ao 0 (bloqueio à esquerda). g) Com o amperímetro desligado, ligue a fonte de alimentação do circuito e ajuste a tensão para 1,0 V. h) Ligue o amperímetro, efetue a leitura no visor e anote na tabela a seguir: )v(vFonte )v(vmedido i ( ) 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 i) Desligue o amperímetr e ajuste a fonte de alimentação para o próximo valor de tensão, religue o amperímetro, faça a leitura e anote na tabela. j) Repita o procedimento anterior para os outros valores de tensão. 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 26 k) Anote no espaço abaixo o modelo, faixa do amperímetro e do voltímetro. . . . . . . . . . . . . .:utilizada Faixa . . . . . . . . . oamperímetr do Modelo . . . . . . . . . . . . .: utilizada Faixa . . . . . . . . . . . . voltímetro do Modelo 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 27 Professor (a): _______________ Data limite para entrega: ___/____/___ Equipe: ____ Estudante: ___________________________________________Turma: ______ Titulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Calcule, no espaço abaixo, a incerteza da medida da resistência elétrica do resistor. 2. Escreva no espaço abaixo o resultado da medida de R com a respectiva incerteza. . . ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . (.R medida 3. Considere a resistência elétrica indicada na questão anterior e preencha a tabela a seguir com os valores estimados (calculados) para a corrente elétrica de acordo com a tensão elétrica aplicada (não esqueça das unidades de medida): V (V) i ( ) 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 4. De acordo com a tabela anterior, qual a faixa de medida do amperímetro deverá ser escolhida para as medidas de corrente elétrica? 5. Preencha a tabela a seguir, escrevendo os valores medidos para a tensão e a corrente elétrica com os respectivos erros de medidas indicado pelo fabricante de acordo com a sua leitura. V (V) ΔV VV m Δiii m 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 . . . . . . . . :oamperímetr do Modelo . . . . . . . . . . . :voltímetro do Modelo D e st a q u e e e n tr e g u e a o p ro fe ss o r a té a d a ta p re v is ta 3 Medidas elétricas – Multímetro digital portátil 28 Δi i R ΔV V R ΔRCalculado 6. Verifique e anote o código de cores do resistor. Determine seu valor nominal R nominal com a respectiva tolerância em ohms no espaço abaixo. ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . (.R nominal 7. Utilize a expressão abaixo e calcule o desvio percentual do valor medido em relação ao valor nominal. (Rt é o valor nominal e Rm é o valor medido). 100 R RR t mt d% 8. O erro obtido está dentro da faixa de tolerância fornecida pelo fabricante? 9. Sabendo que, V=Ri calcule para os maiores valores de v e i o valor da resistência R calculado e através de propagação de erros o seu erro ∆R calculado. . . . ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . (.R calculado 10. O valor da resistência calculado estão dentro da tolerância especificada pelo código de cores. 4 Mapeamento do campo elétrico 29 4 MAPEAMENTO DO CAMPO ELÉTRICO 1. Objetivos a) Registrar as superfícies equipotenciais e de campos elétricos utilizando eletrodos em forma de barra, eletrodos cilíndricos e um eletrodo em anel; b) Mapear o campo elétrico correspondente aos diferentes eletrodos. 2 . Introdução teórica Cargas elétricas produzem um campo elétrico, cuja configuração pode ser visualizada pela representação gráfica das linhas de campo elétrico e das superfícies equipotenciais. As linhas de campo elétrico são sempre perpendiculares às superfícies equipotenciais, que possuem o mesmo potencial em qualquer ponto. Se determinarmos experimentalmente as superfícies equipotenciais formadas devido a uma distribuição de cargas elétricas, podemos definir graficamente as linhas de campo elétrico correspondentes. Por sua vez, as linhas de campo elétrico nos fornecem a direção e o sentido do campo elétrico em cada ponto e nos indicam a variação do seu módulo. O campo elétrico é sempre tangente à linha de campo elétrico em cada ponto. 3. Material necessário a) Água deionizada; b) 1 voltímetro digital; c) 1 suporte com eletrodo de medição; d) 1 recipiente acrílico; e) 2 eletrodos retangular; f) 2 eletrodos circular; g) 1 em anel metálico; h) 1 fonte de alimentação AC; i) 1 cabo de energia j) 4 fios de conexão do tipo banana-banana; 4. Procedimento Antes de iniciar a montagem, ajuste a fonte de tensão alternada para fornecer 4,0 V, com o auxílio do voltímetro AC. AC 0 . . . 12V/10mA 4.00 V Figura 1: diagrama para ajuste e medida da tensão de saída do fonte de tenção alternada. 4 Mapeamento do campo elétrico 30 Monte o equipamento de medição de acordo com a Figura 2. Figura 2: Descrição do equipamento experimental modelo 3B SCIENTIFIC PHYSICS: (1) tomada 4mm; (2) eletrodo de medição; (3) vasilha eletrolítica; (4) eletrodo retangular; (5) eletrodo circular; (6) anel metálico; (7) suporte horizontal; (8) papel quadriculado; (9) pé de apoio; (10) haste de apoio. Em seguida, coloque o recipiente sobre uma folha de papel quadriculado e proceda com a montagem como indicada no diagrama da Figura 3. Figura 3: Diagrama da montagem experimental. Parte A: Eletrodos retangulares a) Conecte a fonte de tensão, utilizando 2 fios de conexão, com os eletrodos em forma de barra retangular. 4 Mapeamento do campo elétrico 31 b) Conecte o terminal COM do voltímetro, utilizando o fio de conexão, ao eletrodo ligado a um dos terminais da fonte de tensão. Conectar o outro terminal do voltímetro, utilizando um fio de conexão banana-banana, ao eletrodo medição instalado de pé no apoio móvel. c) Preencha o recipiente com água deionizada de modo que os eletrodos estejam com dois terços cobertos. d) Procure com o eletrodo de medição seis diferentes pontos da superfície da cuba que tenha diferença de potencial igual a 0,5 V. Marque esses pontos sobre a primeira folha de papel quadriculado do relatório. e) Repetir os itens (d) para as seguintes diferenças de potencial de 1,5 V 2,0 V e 2,5 V e 3,5. Deste modo, podem ser registradas as linhas equipotenciais de diferentes campos elétricos. Parte B: Eletrodos Retangulares + Anel f) Posicione o anel metálico entre os dois eletrodos em forma de retangular. g) Realize a medida da diferença de potencial para três pontos diferentes no interior do anel e registre esse pontos sobre a 2ª folha de papel quadriculado do relatório. h) Repita todo o procedimento (d) e (e) com o anel metálico entre os eletrodos em forma retangulares. Parte C: EletrodosCirculares i) Repita todo o procedimento (d) e (e) para eletrodos em forma de placa circular. 4 Mapeamento do campo elétrico 32 4 Mapeamento do campo elétrico 33 Professor (a): _________________ Data limite para entrega: ___/____/___ Equipe: ____ Estudante: _____________________________________________ Turma: ______ Titulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Utilize linhas tracejadas e cheias para representar respectivamente as superfícies equipotenciais e as linhas de campo elétrico. Parte A: Eletrodos retangulares 1. Para os eletrodos retangulares: a) Represente na figura as superfícies equipotenciais com o respectivo valor; b) Represente na figura as linhas de campo elétrico não esqueça de representar o sentido; c) Represente nesse desenho o vetor campo elétrico, nos pontos B5 e H5. d) Calcule o módulo do campo elétrico no ponto E5. - 4 Mapeamento do campo elétrico 34 Parte B: Eletrodos Retangulares + Anel 2. Para os eletrodos Retangulares + Anel: a) Represente na figura as superfícies equipotenciais; b) Represente na figura as linhas de campo elétrico não esqueça de representar o sentido; 3. Determine o erro do voltímetro para a faixa de medida utilizada para medir o potencial nos três pontos no interior do anel metálico. a) ) (V 1 ponto b) ) (V 2 ponto c) ) (V 3 ponto 4. Levando em consideração a precisão (considere o maior valor) do voltímetro na faixa de medidas utilizada, descreva o comportamento do potencial e do campo elétrico no interior anel metálico. 4 Mapeamento do campo elétrico 35 Parte C: Eletrodos Circulares 5. Para os eletrodos circulares: a) Represente na figura as superfícies equipotenciais; b) Represente na figura as linhas de campo elétrico não esqueça de representar o sentido; c) Represente nesse desenho o vetor campo elétrico, nos pontos B5 e E5. 6. O que podemos dizer sobre a direção das linhas de campo elétrico e as superfícies equipotenciais? 7. O que podemos dizer sobre as linhas de campo elétrico e a direção do vetor campo elétrico? 4 Mapeamento do campo elétrico 36 5 Capacitores de placas paralelas 37 5 CAPACITORES DE PLACAS PARALELAS a) Objetivos: a) Verificar a relação entre a capacitância e a distância entre as placas de um capacitor de placas paralelas, tendo o ar como dielétrico; b) Obter experimentalmente a constante dielétrica de materiais isolantes e comparar com valores tabelados. b) Introdução teórica Um capacitor de placas paralelas é formado por duas ou mais placas condutoras paralelas. As placas podem ser folhas metálicas delgadas separadas uma da outra pelo vácuo, ar ou outra folha delgada de diferente material. Para simplificar os cálculos, supomos que as placas sejam planos infinitos. Esta aproximação de plano infinito pode ser usada se a distância entre as placas for muito menor do que as suas dimensões. Dizemos que efeitos de borda serão desprezados. A capacitância C é diretamente proporcional à área A de cada placa e inversamente proporcional à distância entre as placas d. A capacitância é dada por , d A C 0 (1) sendo 0 a constante de proporcionalidade, a permissividade elétrica do vácuo. No Sistema Internacional de unidades, C é dado em F (farad). A permissividade do vácuo é mF., 1210858 (farad por metro). Se o meio entre as placas for o ar ou outro material, a capacitância original C (no vácuo) deverá ser multiplicada pela constante dielétrica K do material, adimensional. , d A KC 0 (2) A Tabela 1 apresenta valores de constante dielétrica para alguns materiais. Material Vácuo Ar Acrílico Transparente Papel Rígido K 1 1,00059 3,4 4,5 5 Capacitores de placas paralelas 38 3. Materiais a) Cabo de força; b) capacitor variável de placas paralelas; c) multímetro digital de bancada; d) fios de ligação banana-banana; e) trena milimetrada; f) placa quadrada de material isolante; g) paquímetro. 4. Procedimento Parte A: Determinação da permissividade elétrica Figura 1: Montagem experimental Ligue o multímetro somente após afastar as placas por uma distância maior que 1,00 mm. Após zerar o paquímetro toque apenas no parafuso de ajuste para aumentar a distância entre as placas. a) Conecte o cabo preto (“-“) no terminal COM do multímetro e no borne preto do capacitor e o cabo vermelho (“+”) no terminal VHz do multímetro e no borne vermelho no capacitor de placas paralelas. b) Com as placas do capacitor justapostas zere o paquímetro do capacitor (d=0,00 mm). c) Afaste as placas a uma distância d = 3,00 mm, utilizando o parafuso de ajuste de precisão, que controla a distância de medição. Cuidado! 5 Capacitores de placas paralelas 39 d) Ligue o multímetro de mesa digital e o transforme em capacítimetro pressionando a tecla . e) Utilize a faixa AUTO que será exibida no display. f) Realize a medida da capacitância e anote o valor apresentado na tabela a seguir. d (mm) C 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 g) Repita o procedimento (f) completar a tabela. h) Meça o diâmetro de uma das placas do capacitor com a trena milimetrada para determinar a área das placas do capacitor. mm .) . . . . . . . . . . . . . . . . . ( Parte B: Determinação da Constante Dielétrica a) Mantenha o capacímetro conectado aos terminais do capacitor. b) Afaste as placas a uma distância conveniente e introduza a placa dielétrica disponível. c) Ajuste a distância entre as placas do capacitor á dielétrico interposto. d) Pressione o dielétrico com as placas do capacitor e realize a leitura no modo manual do capacímetro. e) Realize a medida da espessura da placa utilizada com o paquímetro. f) Transforme todas as medidas efetuadas no SI e transfira para o relatório reescrevendo em notação científica. 5 Capacitores de placas paralelas 40 5 Capacitores de placas paralelas 41 Professor (a): _______________ Data limite para entrega: ___/____/___ Equipe: ____ Estudante: __________________________________________ Turma:_______ Titulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Observação: Expresse e calcule todos os valores no SI expressado os valores em notação científica. Parte A: Determinação da permissividade elétrica 1. Qual o diâmetro das placas do capacitor? ) ( 2. Calcule a área do capacitor com a sua respectiva incerteza? ) ( A 3. Preencha a tabela a seguir com os valores da capacitância de acordo com a distância entre as placas do capacitor C ( ) d 4. Linearize a função, preencha a tabela e construa e anexe o gráfico que relaciona as variáveis dependente e independente. (Anexe o gráfico ao relatório) 5. Determine a inclinação do gráfico. (Se o gráfico foi construído com o aplicativo SciDAVis anexe o quadro resumo ao relatório). 6. Calcule a permissividade elétrica do vácuo, comparando a expressão anterior com a expressão (2). D e st a q u e e e n tr e g u e a o p ro fess o r a té a d a ta p re v is ta 5 Capacitores de placas paralelas 42 7. Compare o valor obtido no item 6 com o valor teórico da permissividade elétrica do vácuo (Calcule o erro percentual e justifique se este for maior que 5%). Parte B: Determinação da Constante Dielétrica 8. Qual o valor tabelado da constante dielétrica para o material utilizado nesse experimento? 9. Qual o valor da capacitância com o dielétrico colocado entre as placas do capacitor? ) ( C 10. Qual a espessura das placas utilizadas como dielétrico? ) ( d 11. Calcule o valor da constante dielétrica do material utilizando os dados obtidos experimentalmente. ) ( K 12. Compare o valor obtido para a constante dielétrica e calcule o erro percentual entre ambos, tomando como valor de referência o da bibliografia. 13. Analise e explique as possíveis fontes que geram a diferença entre o valor medido da constante dielétrica do material e o valor publicado na bibliografia. Seja claro e específico ao apontar para essas fontes. 6 Resistividade Elétrica 43 6 RESISTIVIDADE ELÉTRICA 1. Objetivos a) Verificar a dependência da resistência elétrica de um fio em relação ao seu comprimento e em relação à área da sua seção reta; b) Determinar experimentalmente a resistividade de um condutor metálico. 2. Introdução teórica Duas grandezas importantes no estudo da eletricidade são a resistência e a resistividade elétrica. A resistência elétrica, R, é uma característica do fio como um todo, dependendo do comprimento, da espessura e do material de que ele é produzido. A resistividade elétrica, ρ, é uma propriedade específica dos materiais e depende de suas características microscópicas. Dois fios de diferentes tamanhos e espessuras feitos de um mesmo metal podem apresentar um valor diferente de resistência, mas apresentarão a mesma resistividade. Um material que obedece razoavelmente a lei de Ohm denomina-se condutor ôhmico ou condutor linear. Para esse tipo de material, a uma dada temperatura, a resistividade elétrica, , é uma constante. Valores da resistividade para algumas substâncias são apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Valores da resistividade na temperatura ambiente (20oC). Material Ω.m)ρ(10 8 Cobre ),,( 010721 Ouro ),,( 020442 Alumínio ),,( 020822 Tungstênio ),,( 1065 Ferro ),,( 30010 Liga de cobre-níquel )( 144 Liga de níquel-cromo )( 5150 A resistência elétrica de um fio linear é dada por , A R 1 6 Resistividade Elétrica 44 com sendo o comprimento do fio e A a área da seção reta do fio. No Sistema Internacional de unidades, ρ é dado em Ω.m (ohm x metro). Medindo-se a resistência de um fio uniforme e homogêneo em função de seu comprimento, pode-se determinar a resistividade do material de que ele é feito. Para isso, basta conhecer a área da seção reta do fio. 3. Materiais a) 1 multímetro digital de bancada; b) 1 placa de condutores; c) 1 par de cabo de prova; d) 1 paquímetro; e) 1 cabo de força. 4. Procedimento Parte A: Relação entre resistência elétrica e o comprimento do fio A placa mostrada na Figura 1 apresenta cinco diferentes fios condutores, três deles com o mesmo diâmetro, 0,510 mm, e compostos por diferentes materiais, cobre, ferro e níquel-cromo, e outros dois também de níquel-cromo, mas com diâmetros diferentes, 0,360 mm e 0,720 mm (ver Figura 1-b). Cada fio possui seis terminais em seu comprimento com uma distância de 20,0 cm entre eles. (a) (b) Figura 1: Em (a) placa de condutores de níquel-cromo, ferro e cobre. (b) Em (b) Detalhe da placa com especificações dos fios. 6 Resistividade Elétrica 45 Nesta parte utilizaremos o condutor de níquel-cromo de maior diâmetro. Mediremos a resistência elétrica para diferentes comprimentos do fio. a) Pressione a tecla OHM para transformar o multímetro em ohmímetro. b) Conecte os dois cabos ponta de prova no ohmímetro. c) Meça a resistência elétrica para o primeiro comprimento sugerido na tabela. d) Repita o procedimento (c) até completar a tabela. e) Anote a faixa utilizada para medir a resistência elétrica do condutor. (cm) R () Faixa da medida 0,5) (20,0 0,5) (40,0 0,5) (60,0 0,5) (80,0 0,5) 100,0 f) Meça com o paquímetro o diâmetro do fio de níquel-cromo a ser utilizado e anote no espaço abaixo. mm ) ( g) Construa o gráfico que relaciona as variáveis dependente e independente. (Anexe o gráfico ao relatório) 6 Resistividade Elétrica 46 Parte B: Relação entre resistência elétrica e a área da seção reta do fio Para análise da relação entre a resistência elétrica e área da seção reta do fio ser utilizada os três condutores de níquel-cromo com diferentes diâmetros, medindo a resistência elétrica para o mesmo comprimento do fio, 0,80 m. a) Meça com o micrômetro os diâmetros dos fios de níquel-cromo e anote na primeira coluna da tabela com as respectivas incertezas. Ordene as medidas do menor para o maior diâmetro. b) Meça a resistência elétrica dos condutores de níquel-cromo e anote na tabela. c) Anote a faixa utilizada para medir a resistência elétrica do condutor. (mm) R () Faixa de medida ± ± ± 6 Resistividade Elétrica 47 Professor (a): _______________ Data limite para entrega: ___/____/___ Equipe: ____ Estudante: _________________________________________________Turma: ______ TITULO: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parte A: Relação entre resistência elétrica e o comprimento do fio 1. Preencha a tabela a seguir com os valores da resistência elétrica de acordo com o comprimento do fio. (m) R () ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2. Qual o diâmetro e o raio do fio no SI? ) ( 3. Calcule a área da seção transversal do fio? ) ( A 4. Determine a inclinação do gráfico que relacionam as duas grandezas com sua respectiva incerteza (Se o gráfico foi construído com o aplicativo SciDAVis anexe o quadro resumo ao relatório). ) ( I D e st a q u e e e n tr e g u e a o p ro fe ss o r a té a d a ta p re v is ta 6 Resistividade Elétrica 48 5. Compare a expressão obtida em (4) com a equação (1) e determine o valor da resistividade elétrica do níquel-cromo, com o respectivo erro propagado. 6. Compare o valor obtido para a resistividade elétrica e calcule o erro percentual entre ambos, tomando como valor de referência o da bibliografia. Parte B: Relação entre resistência elétrica e a área da seção reta do fio 7. Qual o valor do comprimento do fio condutor utilizado? ) ( 8. Preencha a tabela a seguir com os valores da resistência elétrica R e da área transversal de acordo com o diâmetro de cada fio. Linearize a função )A(f R e preencha a últimacoluna da tabela. (m) R A(m2) ± ± ± ± ± ± ± ± ± 9. Construa o gráfico, com o aplicativo SciDAVis, da função linearizada que relaciona as variáveis dependente e independente. (Anexe o gráfico com o quadro resumo ao relatório.) 10. Determine a inclinação do gráfico que relacionam as duas grandezas com sua respectiva incerteza. ) ( I 11. Compare a expressão obtida em (10) com a equação (1) e determine o valor da resistividade elétrica do níquel-cromo, com o respectivo erro propagado. 12. Calcule o erro percentual da resistividade, assumindo como valor de referência o da bibliografia. 7 Resistores ôhmicos e não ôhmicos 49 7 RESISTORES ÔHMICOS E NÃO ÔHMICOS 1. Objetivos a) Medir a resistência elétrica de forma direta e indireta e comparar os valores encontrados. b) Verificar experimentalmente através do gráfico da tensão elétrica em função da corrente elétrica a Lei de Ohm; c) Analisar o comportamento linear ou não linear da relação entre tensão e corrente elétrica aplicadas em resistores elétricos diversos. 2. Introdução teórica Resistores elétricos são componentes importantes em circuitos eletrônicos. Esses, quando submetidos a uma diferença de potencial elétrica V em seus terminais ficam sujeitos a passagem de uma corrente elétrica i. Resistência elétrica é a dificuldade à passagem de corrente elétrica de um resistor, quando submetido a uma diferença de potencial. Ao variar a diferença de potencial elétrico aplicada nos terminais do resistor elétrico verifica-se uma variação da corrente elétrica, e assim, pode-se apresentar a relação entre r essas duas grandezas graficamente. A Análise do gráfico V x i permite determinar se a resistência elétrica R depende ou não da diferença de potencial aplicada nos terminais do resistor elétrico. A princípio há duas possibilidades de resposta: Primeira - a resistência elétrica, independe da diferença de potencial elétrica aplicada ao resistor e a relação entre a diferença de potencial elétrica aplicada e a corrente elétrica é uma relação linear. Segunda - possibilidade é termos uma resposta não linear entre essas duas variáveis. Sendo que a não linearidade pode se manifestar de diversas formas. O experimento consiste em estudar a característica dos gráficos V x i de diversos resistores para verificar a dependência ou não de R em relação a V e caracterizar resistência elétrica do resistor. Para maior aprofundamento das questões teóricas relativa ao conceito de Resistência elétrica veja o item 25.3 do capítulo 25 (Corrente, resistência e força eletromotriz) do livro texto Sears & Zemansky, volume III (Eletromagnetismo). 7 Resistores ôhmicos e não ôhmicos 50 3. Materiais a) 1 fonte de alimentação contínua; b) 3 multímetros digitais; c) 1 resistor elétrico cerâmico; d) 1 lâmpada de 6 V; e) 1 potenciômetro de fio; f) 6 fio de ligação banana-banana; g) 1 cabo de energia; h) 2 suporte com garra. 5. Procedimento O experimento consiste em medir a resistência de um resistor, de um potenciômetro e do filamento de uma lâmpada de forma direta e indireta. Antes de ligar o aparelho fonte de alimentação, levar o botão de ajuste de tensão e de corrente novamente ao zero (bloqueio à esquerda). Só ligue a fonte de alimentação quando a montagem experimental estiver completamente montada. Para medir a resistência do resistor a fonte deve estar desconectada ao circuito. Escolha a faixa mais apropriada para medir a resistência elétrica. Para escolher de faixa de medida da corrente elétrica, utilize a expressão ,RVI com I sendo a corrente elétrica estimada, V a tensão aplicada ao circuito e R à resistência elétrica (medida). Parte A: Estudo da resistência de um resistor a) Transforme o multímetro em ohmímetro e meça a resistência elétrica do resistor registre no espaço abaixo. ...................Faixa..... R b) Monte o circuito como mostra a figura: Cuidado! Cuidado! 7 Resistores ôhmicos e não ôhmicos 51 Fonte Resistor Amperímetro Voltímetro Figura 1 - Circuito constituído de uma fonte de tensão elétrica ε, um resistor R e um multímetro; o multímetro, na função voltímetro, está conectado em paralelo com o resistor; o multímetro, na função amperímetro, está conectado em série com o resistor. c) Ajuste a tensão 1,5 V na fonte e utilize o voltímetro e o amperímetro para fazer a leitura da tensão e corrente elétrica e anote os resultados na tabela. d) Repita o procedimento (c) até completar a tabela. V (V) Faixa I Faixa 1,50 3,00 4,50 6,00 7,50 Observação Lembre-se que nesse caso esta se desconsiderando experimentalmente as resistências internas do Amperímetro (RA) e do Voltímetro (RV), já que RA << R e RV >> R. Parte B: Estudo da resistência um varivolt de fio. a) Faça a medida da resistência elétrica da parte correspondente do varivolt de fio em que se aplicará a diferença de potencial elétrica e registre no espaço abaixo. ...................Faixa..... R 7 Resistores ôhmicos e não ôhmicos 52 b) Substitua o resistor pelo varivolt no circuito da parte A. c) Repita os procedimentos (c) e (d) da parte A. V (V) Faixa I Faixa 1,50 3,00 4,50 6,00 7,50 Parte C: Estudo da resistência de uma lâmpada a) Faça a medida da resistência elétrica da lâmpada e anote no espaço abaixo. ...................Faixa..... R b) Substitua o varivolt utilizado na parte B por uma lâmpada de 6 V. c) Repita os procedimentos (c) e (d) da parte A. V (V) Faixa I Faixa 1,50 2,50 3,50 4,50 5,50 Análise a) Transforme todas as medidas, das partes A B e C, e suas respectivas incertezas para o SI e transfira os dados das tabelas para as tabelas do relatório. b) Construa os gráfico IV para as partes A B e C e anexe no relatório na ordem sugerida. 7 Resistores ôhmicos e não ôhmicos 53 Professor (a): _______________ Data limite para entrega: ___/____/___ Equipe: ____ Estudante: ___________________________________________Turma: ______ TITULO: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parte A: Estudo da resistência de um resistor 1. Anote na tabela da diferença de potencial função corrente elétrica com as respectivas incertezas. 2. Anote no espaço abaixo a resistência elétrica medida com o ohmímetro ) ( R 3. Utilize o gráfico para determinar se o resistor é ôhmico ou não ôhmico. Justifique sua resposta . 4. Se o resistor é ôhmico determine, a partir do gráfico, a resistência elétrica do resistor com a respectiva incerteza. 5. Determine o erro percentual do valor medido em relação ao valor determinado em (5). Parte B: Estudo da resistência de um potenciômetro 6. Anote na tabela da diferença de potencial função corrente elétrica com as respectivas incertezas. 7. Anote no espaço abaixo a resistência elétrica medida com o ohmímetro ) ( R V I 0,00 0,0 V I 0,00 0,0 D e st a q u e e e n tr e g u e a o p ro fe ss o r a té a d a ta p re v is ta 7 Resistores ôhmicos e não ôhmicos 54 8. Se o resistor é ôhmico determine, a partir do gráfico, a resistência elétrica do resistor com a respectivas incertezas. 9. Determine o erro percentual do valor medido em relação ao valor determinado em (10). Parte C: Estudo da resistência uma lâmpada. 10. Anote na tabela da diferença de potencial em função da correnteelétrica com as respectivas incertezas. 11. Com os dados da tabela trace o gráfico IV e anexe no relatório. 12. A partir do gráfico pode-se com concluir que resistor é ôhmico ou não ôhmico? Justifique. 13. A relação matemática Ri V é válida para um resistor não ôhmico? Justifique sua resposta? 14. Descreva o procedimento para determinar graficamente a resistência de um material não ôhmico. V I 0,00 0,0 8 Associação de capacitores e resistores elétricos 55 8 ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES E RESISTORES ELÉTRICOS 1. Objetivos a) Determinar experimentalmente a corrente elétrica e a diferença de potencial em vários ramos e pontos de um circuito elétrico resistivo. b) Identificar a função da associação de resistores para dividir ou limitar correntes e voltagens elétricas. c) Verificar a capacitância equivalente para associações em série e em paralelo de capacitores. 2. Introdução Teórica 2.1. Divisores de tensão O divisor de tensão é um circuito que nos permite conseguir tensões menores do que a tensão de um gerador disponível. Resistores ligados em série, Figura 1, funcionam como divisores de tensão. A tensão nos extremos de cada resistor do divisor é diretamente proporcional ao valor da sua resistência, um resistor de valor mais elevado está sob uma alta tensão e o de valor mais baixo sob uma pequena queda de tensão. A soma da tensão sobre cada componente é a tensão aplicada aos terminais de entrada. R1 R2 Figura 1: Resistores associados em série. 2.3. Divisores de Corrente O divisor de corrente é um circuito que nos permite conseguir correntes menores do que a corrente de um gerador disponível. Resistores ligados em paralelo, Figura 2, funcionam como divisores de corrente. A corrente que percorre cada resistor do divisor é inversamente proporcional ao valor da sua resistência, um resistor de valor menos elevado é percorrido por uma alta corrente e o 8 Associação de capacitores e resistores elétricos 56 de maior valor por uma pequena corrente. A soma da corrente que percorre cada componente é a corrente total do circuito elétrico. R1 R2 Figura 2: Resistores associados em paralelo. 2.4. Associação de Capacitores Associam-se capacitores em série, em paralelo ou de forma mista para que uma capacitância específica seja obtida. Em uma associação em série, a carga é igual para todos os capacitores, enquanto em uma associação em paralelo, a diferença de potencial é a mesma para todos os capacitores. C1 C2 C3 C1 C2 C3 A B A B Figura 3: Diferentes associações de capacitores. Para maior aprofundamento das questões relativa à associações de capacitores e resistores, veja o livro texto Halliday, volume III (Eletromagnetismo). 3 Matriz de contato ou Protoboard® A matriz de contato é uma placa com orifícios, para conexão dos componentes eletrônicos, utilizada na montagem de circuitos elétricos. Os orifícios são interligados (por baixo) permitindo fixar os componentes eletrônicos sem soldas o que à torna uma solução prática e econômica para ensaios de circuitos elétricos. https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuitos_eletr%C3%B4nicos 8 Associação de capacitores e resistores elétricos 57 V1 V2 M A T R IZ E S D E C O N T A T O S P ro n o l a b o R A n é s io B . B ra n d Figura 5: Configuração das trilhas de orifícios de uma matriz de contato com os bornes para conexão da alimentação. 1ª linha - 2ª linha - 3ª linha - 4ª linha - 5ª linha - 6ª linha - 7ª linha - 8ª linha - 9ª linha - 10ª linha - 11ª linha - 12ª linha - Os conectores destas linhas estão interligadas C o n e c to re s i n te rl ig a d o s v e rt ic a lm e n te e m g ru p o s d e 5 e m c in c o Figura 6: Matriz de contatos genéricas com barramento horizontais e verticais. Os orifícios da 1ª linha (fila horizontal) da matriz de contato estão interligados horizontalmente por uma barra condutora. Os orifícios da parte central, da 2° linha até a 6° linha, estão interligados por coluna em grupos de 5 (posição vertical). O mesmo acontece com os orifícios da 7° linha até a 11ª linha. Os orifícios da última linha (12° fila, horizontal) estão conectados a uma mesma barra condutora. O borne de cor preta é destinado ao aterramento e os bornes azul e vermelho são destinados para conectar a fonte elétrica. Os barramentos horizontais, em geral, são usados para alimentação do circuito. 8 Associação de capacitores e resistores elétricos 58 3. Materiais a) 1 matriz de contatos; b) 2 multímetros digitais “pequenos” para medir corrente; c) 1 multímetros digitais “grandes” para medir tensão; d) 1 multímetro de bancada para medir capacitância; e) 4 fios de ligação; f) 2 resistores de 400 á 700 ; g) 3 capacitores; h) 1 fonte de alimentação contínua; i) 1 cabo de energia; j) Para de cabo de prova para medir tensão; k) cabos de conexão banana-banana/banana-jacaré; l) Uma alicate de bico. 4. Procedimento - Para medir a resistência do resistor a fonte deve estar desconectada ao circuito. - Utilize a escala de maior precisão possível. Parte A: Associação de resistores em série Monte o circuito na placa para ensaios de circuitos elétricos de acordo com as instruções a seguir. a) Insira os dois resistores em série na matriz de contato e meça a resistência de ,R1 2R e eequivalentR (anote no espaço abaixo). . . . . . . . . . . . Faixa. R R R eq.21 b) Utilize um cabo banana-banana para conectar o polo positivo da fonte de tensão ao conector 1V da matriz de contato. 8 Associação de capacitores e resistores elétricos 59 V1 V 2 00 0 00 0 F + - 000 A+ - 000 A+ - c) Utilize um cabo banana-banana para conectar o polo negativo da fonte de tensão ao terminal COM do amperímetro e outro cabo banana-banana para ligar o amperímetro 1A ao conector 2V da matriz de contato. d) Insira o amperímetro 2A entre os resistores 1R e .2R e) Ajuste a fonte de tensão para 3,0 V e anote o valor da corrente que percorre cada um dos amperímetros 1A e .2A . . . . . . . . . . . . Faixa I I 21 f) Com auxílio do voltímetro, realize a medida de diferença de potencial em cada um dos resistores do circuito. . . . . . . . . . . . . Faixa V V 21 g) Meça a diferença de potencial total aplicado aos resistores. . . . . . . . . . . . . Faixa Vtotal Parte B: Associação de resistores em paralelo Desconecte a fonte de alimentação da matriz de contato Monte o circuito na placa para ensaios de circuitos elétricos de acordo com as instruções a seguir. a) Insira os dois resistores em paralelo na matriz de contato e meça a resistência eequivalentR (anote no espaço abaixo). . . . . . . . . . . . Faixa. R eq. b) Utilize um cabo banana-banana para conectar o polo positivo da fonte de tensão ao conector 1V da matriz de contato. c) Utilize um cabo banana-banana para conectar o polo negativo da fonte de tensão ao terminal COM do amperímetro e outro cabo banana-banana para conectar o amperímetro 1A ao conector 2V da matriz de contato. d) Insira o amperímetro 2A para medir corrente .2I que passa por .2R 8 Associação de capacitores e resistores elétricos 60 e) Ajuste a fonte de tensão para 3,0 V e anote o valor da corrente que percorre cada um dos amperímetros 1A e .2A . . . . . . . . . . . Faixa.
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