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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA CARGA E DESCARGA DE CAPACITORES Relatório apresentado como requi- sito para o aproveitamento da dis- ciplina Laboratório de Física B, na turma 02 do Departamento de Físi- ca, na Universidade Federal de Sergipe, ministrada pelo professor Tiago Ribeiro de Souza. São Cristóvão - SE 2013 CARGA E DESCARGA DE CAPACITORES Equipe: Alisson Mickley de Oliveira Santo; Geane dos Santos Santana; Jaelsson Silva Lima; José Diego da Silva Pereira; Marcia Valentim de Jesus; Wedson Nascimento Alves. Data da Experiência: 16/07/2013 Turma: 02 / Grupo: 02 São Cristóvão - SE 2013 3 1- RESUMO: Nesse experimento observamos o processo de carga e descarga de capacitores. Para a realização do mesmo utilizamos cabos de tensão elétrica, multímetro, voltímetro, jumpers, capacitores, cronômetros, lâmpadas, placa de testes e resistores. Na primeira parte do experi- mento medimos a resistência da lâmpada de ����������� e associamos a mesma num circuito com um capacitor de 1000µF, com o intuito de observar o que acontece com a lâmpada quando o capacitor é carregado. Na segunda parte do experimento, escolhemos dois resistores de valores nominais semelhantes e um capacitor de 1000µF para medirmos três vezes o tempo de carga e descarga, depois alternamos o valor do capacitor para 100µF com resistências no- minais de ���.���3DUD�WDQWR��PHGLPRV�D�WHQVmR�QR�processo de carga e descarga a cada 5 se- gundos em um intervalo de tempo de 1 minuto. A partir dos dados coletados, fizemos o esbo- ço de dois gráficos e por meio deles, determinamos a constante de tempo do circuito que foi utilizado no experimento para calcular o valores da capacitância e assim, comparamos com o valor nominal ao realizar tais medidas , verificando que a constante do tempo é diretamente proporcional à resistência e à capacitância. Dessa forma, os resultados encontrados foram Ccarga = (903±34) ȝ)�e Cdescarga = (1028±54) ȝ)� 4 2- INTRODUÇÃO: Carga Elétrica é uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais de que é feita a matéria. Dessa forma, existe um elemento no circuito capaz de armazenar carga elétrica, cha- mado Capacitor. Carga de um capacitor: O capacitor é um componente eletrônico constituído de duas placas condutoras de cor- rente elétrica separadas por um material isolante denominado de dielétrico. Tais condutores possuem carga de mesmo módulo, mas sinais opostos, sendo assim estabelecida uma diferen- cial de potencial entre eles. Dessa forma, a diferença de potencial é proporcional ao módulo da carga elétrica no capacitor. Assim, a constante de proporcionalidade é denominada de Ca- pacitância e podemos expressa da seguinte forma: ܥ ൌ � ொ (2. 1) Onde: Q: módulo da carga elétrica no capacitor, em Coulombs (C) ܸ: Diferença de potencial no capacitor, em Volts (V) C: Capacitância do capacitor, em Farad (F) Para tanto, vamos considerar um circuito RC, como podemos observar na figura 2.1. Figura 2.1: Esquema simplificado de um circuito utilizado para entender o processo de carga de um capacitor em um circuito RC. Colocando tensão na fonte igual a V, teremos: ோܸ ܸ ൌ ܸ (2.2) Na qual, ோܸ é a tensão nos terminais do resistor e ܸ a tensão nos terminais do capaci- tor. Pela lei de Ohm, temos: ோܸ ൌ ܴ ൌ ܴ ௗ ௗ௧ (2.3) Temos pela Equação (2.1) que: 5 ܸ ൌ (2. 4) substituindo (2.3) e (2.4) em (2.2), temos: ݍ ൌ ܸܥሺͳ െ ݁ ష ೃሻ (2.5) Destacamos que a Equação (2.5), possui uma solução. Como CV é a carga final do ca- pacitor que é igual a Q, escrevemos a equação como sendo: ݍ ൌ ܳሺͳ െ ݁ ష ೃሻ (2.6) Se analisarmos a equação anterior, quando t >RC, o valor de q tende a Q = CV e quando t = CV, teremos: ݍ ൌ ܳ ቀͳ െ ݁ షೃ ೃ ቁ ൌ ܳሺͳ െ ݁ିଵሻ ൌ Ͳǡ͵ܳ (2.7) Vale ressaltar que t = RC é denominado constante de tempo do circuito, que é represen- WDGR�SRU�IJ��$VVLP��D�SDUWLU�GD�HTXDomR�DQWHULRU��REVHUYD-se que o capacitor estará carregado FRP�����GD��FDUJD�Pi[LPD�TXDQGR�W� �5&� �IJ� Agora, substituindo a Equação (2.6) nas Equações (2.3) e (2.4), é possível determinar o comportamento da tensão elétrica no resistor ோܸ e no capacitor ܸ em relação ao tempo. Sen- do representado algebricamente da seguinte maneira: Para a tensão: ோܸ: ோܸ= ܸ ቀ݁ ష ೃቁ (2.8) Para o capacitor: ܸ: ܸ ൌ � െ ோܸ= ܸ ቀͳ െ ݁ ష ೃቁ (2.9) Descarga de um capacitor: Suponha que t > RC quando o gerador ou fonte de tensão permanecer ligado por um de- terminado período de tempo. Assim, um capacitor estará totalmente carregado e a carga será igual a Q. Se desligarmos a fonte de tensão, o capacitor descarregará através do resistor R. Logo: ோܸ � ܸ ൌ Ͳ ݅ோ �ൌ Ͳ (2.10) Ao substituir i por ௗ ௗ௧ , temos: ܴ ௗ ௗ௧ ൌ Ͳ� (2.11) Na qual, a solução será: 6 ݍ ൌ ܳ݁ ష ೃ (2.12) Onde, Q é carga inicial do capacitor. A constante de tempo RC também aparece no pro- cesso de descarga do capacitor. Dessa forma, ao analisar a Equação (2.12), podemos constatar que para t = RC, a carga do capacitor será reduzida a ܳ݁ିଵ, correspondendo a 0,37Q, ou seja, 37% da carga inicial. Considerando ݅ ൌ ௗ ௗ௧ , podemos determinar o comportamento da corrente elétrica durante a descarga. Assim, i será: ݅ ൌ ொ ష ೃ ோ ൌ ష ೃ ோ (2.13) E a tensão será: ܸ ൌ ܸ݁ ష ೃ (2.14) Diante de todos os enunciados expostos até aqui, podemos concluir que o tempo de car- ga e descarga de um capacitor depende dos valores das resistências dos resistores e da capaci- tância do capacitor. 7 3- OBJETIVOS: O objetivo dessa atividade prática é contribuir para a compreensão do processo de carga e descarga de capacitores e do significado da constante de tempo de um circuito RC. Com o intuito de entender com mais clareza o processo de carga e descarga de capacitores, temos por objetivo: � Discutir o fenômeno observado e o comportamento da corrente elétrica no circuito e da tensão na lâmpada no processo de carga no Circuito 1. � Discutir o tempo de carga e descarga nas diferentes combinações de resistências e ca- pacitâncias, analisando a sua dependência com a variação na resistência (em casos de capacitância constante) e com a capacitância (em casos de resistência constante). � Construir dois gráficos de tensão versus tempo com os dados da Tabela dddd, um para o processo de carga e outro para o processo de descarga. � Discutir o comportamento dos gráficos a luz do que é esperado. � Pelos gráficos, obter os valores das constantes de tempo do circuito e, a partir da cons- tante de tempo, determinar o valor da capacitância e comparar com o valor nominal. 8 4- MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS: Os materiais utilizados nesse experimento foram: 4.1- MATERIAIS: � Fonte de tensão elétrica � Cabos � Multímetros � Jumpers � Placa de teste � Lâmpadas � Resistores � Capacitores � Cronômetro 4.2- MÉTODOS: O experimento foi dividido em duas partes: 1ª Parte: Circuito 1: Capacitor em série com uma lâmpada. i) determinamos com o ohmímetro as resistências dos 4 resistores presentes na bancada e da lâmpada. ii) Montamos o circuito de acordo com a figura a seguir, no qual o elemento 1 é uma lâmpada e o capacitor é de 1000µF, sem conectar os cabos da fonte de tensão. Figura 4.2.1: Esquema de ligação do circuito1, com capacitor e lâmpada em série. iii) Ajustamos a fonte de tensão para 8V. iv) Com o voltímetro e o amperímetro ligados, conectamos os cabos de alimentação do cir- cuito, e assim, observamos e descrevemos o que aconteceu, atentando para as medidas dos multímetros. 9 2ª Parte: Circuito 2: Carga e descarga do capacitor i) Montamos o circuito de acordo com a figura a seguir, usando dois resistores semelhantes de menor valor nominal e um capacitor de valor nominal de 1000µF. Figura 4.2.2: Esquema de ligação do Circuito 2, para estudo de carga e descarga de um ca- pacitor. ii) Posicionamos um voltímetro de forma a medir a tensão de alimentação do circuito e outro voltímetro para medir a tensão no capacitor. LLL��&RP�DX[tOLR�GH�XP�FURQ{PHWUR��FRQHFWDPRV� LQLFLDOPHQWH�R�SRQWR�µD¶�DR�SRQWR�µE¶��SDUD� carregar o capacitor, iniciando a contagem do tempo no momento da conexão. Em seguida, anotamos o tempo total de carga, ou seja, o tempo necessário para que ܸ ± tensão de alimen- tação do circuito. iv) 1RYDPHQWH�FRP�R�DX[LOLR�GR�FURQRPHWUR��FRQHFWDPRV�R�SRQWR�µE¶ ao ponto µF¶��SDUD�GHs- carregar o capacitor, e anotamos o tempo total de descarga. Realizamos esta operação o mais rápido possível e disparamos o cronômetro no momento da nova conexão. v) Repetimos os itens iii e iv substituindo os resistores pelo par de resistores de maior resis- tência nominal. vi) Repetimos os itens iii e iv substituindo o capacitor, por um capacitor de valor nominal de 100µF. (mantemos os resistores de maior resistência nominal). vii) Montamos um circuito pelo esquema da Figura (4.2.2) com dispositivos que constituíam um circuito com constante de tempo entre 5 e 20 s. viii) Com o circuito do item anterior montado, medimos as tensões no capacitor a cada 5 se- gundos, tanto no processo de carga como no processo de descarga. 10 5- RESULTADOS E DISCUSSÃO: Tabela com quatro resistores de diferentes códigos de cores, onde foram determinadas as resistências nominais e uma lâmpada, onde foram realizadas três medidas independentes com suas respectivas incertezas para cada um e resistência equivalente: Tabela 5.1: Tabela com valores de 4 resistência e uma Lâmpada, onde fora identificadas as medidas de resistências nominais dos resistores e 3 medidas independentes de Resistência me- dida com o multímetro . Fórmulas usadas para calcular as incertezas neste relatório: Para obter a média utilizamos a seguinte fórmula: ݔ ൌ σ ୀଵݔ ݊ Onde x é a média das medidas, ix são cada uma das medidas e n é o número de medi- das. O desvio padrão da medida foi determinado por: ߪ ൌ ඨ σ ሺݔ െ ҧሻଶୀଵݔ ݊ െ ͳ O desvio padrão é associado ao grau de dispersão das medidas em relação ao valor mé- dio. Resistor Nº 1 Resistor Nº 2 Resistor Nº 3 Resistor Nº 4 Lâmpada Resistência Nominal (kёͿ 47 Resistên- cia Nomi- nal (kёͿ 47 Resistência Nominal (kёͿ 12 Resistência Nominal (kёͿ 12 Tolerância Nominal (%) 5 Tolerân- cia Nomi- nal (%) 5 Tolerância Nominal (%) 5 Tolerância Nominal (%) 5 Resistên- cia (kёͿ Resistên- cia (kёͿ Resistên- cia (kёͿ Resistên- cia (kёͿ Resistência ;ёͿ Medida 1 46,7 Medida 1 46,1 Medida 1 11,83 Medida 1 11,77 Medida 1 14,9 Medida 2 46,7 Medida 2 46,1 Medida 2 11,83 Medida 2 11,77 Medida 2 15,0 Medida 3 46,7 Medida 3 46,1 Medida 3 11,83 Medida 3 11,77 Medida 3 15,0 Média 46,7 Média 46,1 Média 11,83 Média 11,77 Média 15,0 Desvio Pa- drão 0,0 Desvio Padrão 0,0 Desvio Padrão 0,00 Desvio Padrão 0,00 Desvio Padrão 0,1 Va 0,0 Va 0,0 Va 0,00 Va 0,00 Va 0,0 Vb 0,1 Vb 0,1 Vb 0,01 Vb 0,01 Vb 0,1 Vc 0,1 Vc 0,1 Vc 0,01 Vc 0,01 Vc 0,1 Resultado (46,7±0,1) Ŭё Resultado (46,1±0,1) Ŭё Resultado (11,83±0, 01)Ŭё Resultado (11,77±0, 01)Ŭё Resultado (15,0±0,1)ё 11 A incerteza tipo A (ıD��IRL dada por: ߪ ൌ ߪ ξ݊ Esta está relacionada ao desvio padrão da média ou simplesmente é chamada também de incerteza estatística. 3DUD�D�LQFHUWH]D�GR�WLSR�%��ıb): ߪ ൌ ௦௧௨௧ߪ ൌ ݐ݊݁݉ݑݎݐݏ݊݅�݀�ܽ݀݅݀݁݉�ݎ݊݁݉ ʹ Este é para um caso de instrumentos analógicos. E para instrumentos digitais, como foi no caso do multímetro utilizado, temos a seguinte LQFHUWH]D�GR�WLSR�%��ıb): ߪ ൌ ௦௧௨௧ߪ ൌ ݐ݊݁݉ݑݎݐݏ݊݅�݀�ܽ݀݅݀݁݉�ݎ݊݁݉ A incerteza FRPELQDGD��ıF��IRL dada por: ߪ ൌ ඥߪଶ ଶߪ O resultado final foi dado por: Resultado = (valor médio das medidas ± incerteza do tipo C) unidade. Na primeira parte além da medições com os resistores também montamos um circuito com uma lâmpada em série com XP�FDSDFLWRU�GH�����ȝ) de acordo com a figura (4.2.1), com uma voltagem de 8V, observamos que a lâmpada acendeu rapidamente e apagou, o fato pode ser explicado devido que o capacitor quando carregado impede a passagem de corrente elétri- ca. Outro procedimento que fizemos foi que após o capacitor ficar completamente carrega- do, desligamos a fonte e fechamos o circuito afim de descarrega-lo e observamos que a lâm- pada piscou rapidamente novamente. Isso também se explica devido uma passagem de corren- te durante um pequeno intervalo de tempo. Na segunda parte montamos o circuito como mostra a figura (4.2.2), usando um par de UHVLVWRU�GH���N��H�RXWUR�GH���N��H�XP�FDSDFLWRU�GH�����ȝ)�H�RXWUR�GH����ȝ)��XWLOL]DPRV�XP� cronometro para fazer a medição de tempo completo de carregamento e para medição de 50% de descarregamento e de acordo com a figura (4.2.2) ,chegamos a seguinte tabela: 12 ***Erro experimental ao considerarmos apenas 50% do descarregamento, mas usando a e- quação que rege a descarga o resultado será de acordo com a mesma. Tabela 5.2: Valores de tempos de e valores de tempos para 50% de descarga registrada pelo multímetro para cada resistência e capacitância do capacitor. As medidas estão com suas de- vidas incertezas. Devido a medida de tempo ter sido efetuada manualmente, atribuímos um valor de 0,5 segundo para a incerteza do tipo B de tempo, já que consideramos o tempo de reação e per- cepção humana ser muito mais lento que vários centésimos de segundos. Apartir da tabela 5.2, observamos que com o aumento da resistência os valores de tem- po carga e descarga também aumentaram e quando reduzimos a capacitância o valor de tempo diminui. 1HVWH�RXWUR�FDVR�DJRUD�PRQWDPRV�XP�FLUFXLWR�FRP�GRLV�UHVLVWRUHV���N��H�XP�FDSDFLWRU� GH�����ȝ)�DILP�GHWHUPLQDPRV�RV�YDORUHV�GH�tensões no capacitor a cada 5 segundos, para o processo de carga e descarga de acordo com a figura (4.2.2), onde podemos ver na tabela a- baixo: Tempos totais de carga e descarga Resistência Nominal ;ŬёͿ Capacitância Nominal (PF) Tempo de Carga (s) Vb (s) Resultado de ttotalcarga *** Tempo de 50% Descarga (s) Vb (s) Resultado de ttotal descarga 12 1000 36,90 0,50 (36,90±0,50) s 8,20 0,50 (8,20±0,50) s 47 1000 148,15 0,50 (148,15±0,50) s 29,61 0,50 (29,61±0,50) s 47 100 13,68 0,50 (13,68±0,50) s 6,00 0,50 (6,00±0,50) s Curva de Carga Curva de Descarga Tempo (s) V Vb Resultado de V Tempo (s) V Vb Resultado de V (V) (V) (V) (V) 5 1,99 0,01 (1,99±0,01) V 5 3,30 0,01 (3,30±0,01) V 10 2,99 0,01 (2,99±0,01) V 10 2,28 0,01 (2,28±0,01) V 15 3,70 0,01 (3,70±0,01) V 15 1,42 0,01 (1,42±0,01) V 20 4,13 0,01 (4,13±0,01) V 20 0,95 0,01 (0,95±0,01) V 25 4,40 0,01 (4,40±0,01) V 25 0,62 0,01 (0,62±0,01) V 30 4,58 0,01 (4,58±0,01) V 30 0,45 0,01 (0,45±0,01) V 35 4,72 0,01 (4,72±0,01) V 35 0,29 0,01 (0,29±0,01) V 40 4,81 0,01 (4,81±0,01) V 40 0,19 0,01 (0,19±0,01) V 45 4,86 0,01 (4,86±0,01) V 45 0,13 0,01 (0,13±0,01) V 50 4,91 0,01 (4,91±0,01) V 50 0,09 0,01 (0,09±0,01) V 55 4,93 0,01 (4,93±0,01) V 55 0,05 0,01 (0,05±0,01) V 60 4,95 0,01 (4,95±0,01) V 60 0,04 0,01 (0,04±0,01) V 13 Tabela 5.3: Valores de tensões medida pelo multímetro a cada intervalo de 5 segundos de tempo, durante o processo de carga e descarga. As medidas estão com suas devidas incerte- zas. A partir da tabela 5.3, fizemos dois gráficos de tensão versus tempo, um para o proces- so de cargae o outro para descarga. E utilizamos valore de 5V para tensão e 12 segundos para o valor da constante de tempo tal como um parâmetro inicial, usando a seguinte equação te- mos: IJ = RC (5.1) IJ� ��������������-6 IJ� ���V Logo: q = Q(1-e-1) = 0,63Q Quando o tempo de carga do capacitor for 12 segundos, ele estará com 63% da carga máxima. Os gráficos abaixo são de medidas tensão versus o tempo: 14 Figura 5.1: Gráfico de tensão versus o tempo, com unidades no Sistema Internacional (SI). A linha na cor vermelha indica o melhor ajuste nãolinear, feito de acordo com [1]. As incerte- zas de tensão neste gráfico ficaram quase imperceptíveis, devido as suas pequenas dimen- sões. Figura 5.2: Gráfico de tensão versus o tempo, com unidades no Sistema Internacional (SI). A linha na cor vermelha indica o melhor ajuste nãolinear, feito de acordo com [1]. As incerte- zas de tensão neste gráfico ficaram quase imperceptíveis, devido as suas pequenas dimen- sões. Como a constante de tempo é diretamente à capacitância e à resistência e sendo a re- sistência XWLOL]DGD�GH���N���DVVLP�FRPR�KRXYH�XPD�YDULDomR�QD�FDSDFLWkQFLD�GHYLGR�D�Pu- danças nos valores de tensões não sendo linear e que gerou também variação não linear da constante de tempo. Para os processos de carga e descarga, observamos uma grande variação nos valores de tensões nos primeiros segundos, dentro do esperado já que a constante de tempo foi de 12 s, onde neste tempo o capacitor deve está 63% carregado. A partir dos gráficos para o processo de carga e descarga chegamos aos seguintes va- lores de constante de tempo. 15 IJ�carga = (10,63±0,24) s IJ�descarga = (12,17±0,17) s Como a capacitância é dada por: ܥ ൌ ఛ ோ E a incerteza dada pela seguinte propagação: Usando as resistências de (11,77������N� e (11,83������N� para os processos de car- ga e descarga respectivamente, e as constantes de tempo obtidas pelos gráficos, logo chega- mos as seguintes capacitância: Ccarga = (903±34) ȝ) Cdescarga = (1028±54) ȝ) Comparando com a capacitância nominal do capicitor de 1000 ȝ)��REVHUYDPRV�TXH�RV� resultados tiveram certa aproximação no caso de Ccarga e satisfatorios em Cdescarga. 16 6- CONCLUSÃO: Diante dos resultados obtidos e das análises gráficas feitas para carga e descarga de um capacitor, desprezando-se pequenas falhas durante o experimento, pode-se concluir que se mostrou experimentalmente e de maneira satisfatória os processos de carregamento e descar- regamento de capacitores, sendo os valores de capacitâncias obtidos para valores de carga e descarga, respectivamente igual a Ccarga = (903±34) ȝ)�H�Cdescarga = (1028±54) ȝ)� A constante de tempo tal �IJ� envolvida nos processos de carga e descarga foram respec- tivamente IJ�carga = (10,63±0,24) s e IJ�descarga = (12,17±0,17) s, assim obtivemos valores próxi- mos do esperado. O estudo deste experimento foi de suma importância para o entendimento e aprendizado de métodos práticos e teóricos aplicados. 17 7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: [1]<https://www.youtube.com/watch?v=OzSqoQR-Yu0>, acessado em 29/07/2013; MACEDO, Zélia S.; MAIA, Ana F.; VALERIO, Mário E. G.; Apostila de Labo- ratório de Física A; UFS; 2013; MACEDO, Zélia S.; MAIA, Ana F.; VALERIO, Mário E. G.; Apostila de Labo- ratório de Física B; UFS; 2013; <281*��+XJK�'���)5(('0$1��5RJHU�$���³6HDUV� =HPDQVN\�- Física III ±12ª edição, Addison Wesley, 2008; TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física: eletricidade, magnetismo e ótica. 5 ed. LTC: Rio de Janeiro, v. 2, 2006.
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