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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS - UFAM FACULDADE DE TECNOLOGIA – FT DEPARTAMENTO DE ELETRICIDADE CURSO – ENGENHARIA QUÍMICA - EQ RELATÓRIO 3 – LABORATÓRIO DE ELETRICIDADE GERAL (FTE-008) TEOREMA DE THÉVENIN, TEOREMA DE NORTON, TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO E PONTES DE WHEATSTONE MANAUS (AMAZONAS) 2016/1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS - UFAM FACULDADE DE TECNOLOGIA - FT DEPARTAMENTO DE ELETRICIDADE - DE CURSO – ENGENHARIA QUÍMICA - EQ RELATÓRIO 3 – LABORATÓRIO DE ELETRICIDADE GERAL (FTE- 008) TEOREMA DE THÉVENIN, TEOREMA DE NORTON, TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO E PONTES DE WHEATSTONE ADRIANA PEREIRA DE SOUZA (21453636) IAGO BRUNO PACHECO FERREIRA (21453635) IGOR MORAES BEZERRA CALIXTO (21456321) VANESSA DE SOUZA LIMA (21453637) MANAUS (AMAZONAS) 2016/1 Relatório 3, de Laboratório de Eletricidade Geral, orientada pelo professor Iury Bessa, com o intuito de obter conhecimentos a respeito de um dos ramos de estudo da Eletricidade Geral, válida para a parcial 1. Relatório 3 – Teorema de Thévenin, Teorema de Norton, Teorema da Superposição e Pontes de Wheatstone. 1.0. Resumo: A atividade prática realizada envolveu a construção de circuitos elétricos com associações variadas de resistores, a verificação experimental do Teorema de Thévenin, do Teorema de Norton, do Teorema da Superposição e dos princípios da ponte de Wheatstone. Através de análise de circuito elétrico, verificar experimentalmente a validade prática dos Teoremas de Thévenin, de Norton e da Superposição. Além disso, verificar os princípios da Ponte de Wheastone. SUMÁRIO 1. Estudo dos Teoremas de Thévenin, Norton, Superposição e pontes de Wheatstone......1 1.1.Introdução.............................................................................................................................1 1.2.Procedimento Experimental.................................................................................................6 1.2.1.Materiais Necessários..................................................................................................6 1.3.Resultados e Discussão........................................................................................................7 1.3.1. Teorema de Thévenin................................................................................................7 1.3.2. Teorema de Norton....................................................................................................8 1.3.3. Teorema da Superposição........................................................................................11 1.3.4.Pontes de Wheatstone...............................................................................................14 1.4.Conclusão...........................................................................................................................17 1.5.Anexos................................................................................................................................18 1.5.1. Teorema de Thévenin...............................................................................................18 1.5.2. Teorema de Norton...................................................................................................25 1.5.3. Teorema da Superposição........................................................................................29 1.5.4. Pontes de Wheatstone..............................................................................................32 1.6.Referências.........................................................................................................................37 1 1.1. Introdução: Na prática, as vezes pode acontecer de um determinado elemento em um circuito ser váriável (normalmente, denominado carga), enquanto outros elementos são fixos. Por exemplo, uma tomada de uma residência onde se pode conectar diferentes aparelhos, constituindo em uma carga variável. Cada vez que o elemento váriavel for mudado, todo o circuito tem de ser analisado por completo novamente. Para evitar esse tipo de problema, o teorema de Thévenin fornece uma técnica pela qual a parte fixa do circuito é substítuída por um circuito equvalente. De acordo com esse teorema o circuito linear, como na figura a) pode ser substituído pelo circuito da figura b). O circuito à esquerda dos terminais a-b na fig. b) é conhecido como circuito equivalente de Thévenin; ele foi desenvolvido em 1883 por M. Leon Thévenin (1857- 1926), engenheiro de telégrafo francês. Substituição de um circuito. O teorema de Thévenin afirma que um circuito linear de dois terminais pode ser substituído por um circuito equivalente formado por uma fonte de tensão VTh em série com um resistor RTh, onde VTh é a tensão de circuito aberto nos terminais e RTh, a resistência de entrada ou equivalente nos terminais quando as fontes independentes forem desativadas. Teoremas são proposições que, para serem admitidas, necessitam de demonstrações. Com o teorema de Norton não é diferente, que são utilizados para cálculos de grandezas referidas a circuitos elétricos, é ligado ao teorema de Thevenin, assim possui a mesma aplicabilidade. A diferença fundamental é que o circuito equivalente de Norton é constituído por uma fonte de corrente IN (corrente de Norton) em paralelo com uma resistência RN (resistência de Norton). 2 Teorema de Norton nos diz que podemos substituir todo o circuito, com exceção ao bipolo em questão, por circuito equivalente contendo uma fonte de corrente em paralelo com um resistor, simplificando, todo circuito composto por elementos lineares pode ser substituído por um gerador de corrente IN em paralelo com uma resistência RN, constituindo o gerador equivalente de Norton. (CAPUANO, ) A corrente que atravessa, ou a tensão entre os terminais de um elemento de um circuito linear bilateral é igual à soma algébrica das correntes ou das tensões produzidas independentemente por cada uma das fontes. (BOYLESTAD, 1998) O teorema da superposição pode ser utilizado como um método para resolver problemas que envolvam circuitos com duas ou mais fontes que não estejam em série nem em paralelo. Ao contrário dos outros métodos, o teorema da superposição dispensa o uso de determinantes para determinar o valor das incógnitas (corrente ou tensão) no lugar disso, o efeito de cada fonte é levado em conta separadamente, então o valor das grandezas procuradas é obtida pela soma algébrica desses efeitos individuais, reduzindo assim o número de circuitos a ser analisando. Em geral: Levando em conta separadamente os efeitos de cada fonte são necessários que estas sejam removidas e substituídas sem afetar o resultado final. Quando aplicamos este teorema, desejamos remover uma fonte de tensão, devemos então igualar a ddp entre os terminais desta fonte a zero ( a fonte deve ser “curto-circuito”); se a corrente tiver que ser removida, seus terminais deverão ficar isolados entre si (circuito aberto). (BOYLESTAD, 1998) 3 Figura 1: Anulando uma fonte de tensão e fonte de corrente O princípio da ponte de Wheatstone começou com os estudos de Charles Wheatstone. Ele era um cientistatalentoso, versátil, que inventou a concertina, experimentou com a fotografia estereoscópica, inventou o estereoscópio e teve uma participação importante no desenvolvimento das comunicações com o telégrafo da época. Ele não reivindicou ter inventado o circuito que mais tarde veio a receber o seu nome, mas foi certamente um dos primeiros a explorar o circuito para fazer medidas de resistências. A conhecida “Ponte de Wheatstone” é uma combinação de resistores que não pode ser transformado em um resistor equivalente, como é o caso das associações comuns em série, paralelo ou mista. A resolução do circuito deve ser feita, entre outras possibilidades, pelas aplicações das leis de Kirchhoff para correntes e tensão. No entanto, é um circuito, que permite uma precisa medida da resistência ôhmica dos resistores. Abaixo, uma montagem básica de uma ponte de Wheatstone: Figura 2: Montagem de uma ponte de Wheatstone A ponte é equilibrada mediante o ajuste dos valores de resistência em R3 e R4 de modo que não flua corrente através do galvanômetro. Quando essa situação é conseguida, os potenciais elétricos em A e B tornam-se iguais (VA = VB) ou seja, a tensão UAB = 0 volts. 4 Assim, como consequência, as diferenças de potenciais entre os terminais de R1 e R3 são iguais e, do mesmo modo, serão iguais entre si as diferenças de potenciais entre os terminais de R2 (no caso, Rx, a resistência incógnita) e R4. Observe a distribuição de correntes abaixo: Figura 3: Equilíbrio de uma ponte de Wheatstone. A intensidade de corrente através de Rx é igual à aquela através de R1 (i2 = i1), assim como aquela através de R4 é igual à através de R3 (i4 = i3). Assim, como já vimos que as d.d.p. sobre R1 e R3 são iguais, escrevemos: i1.R1 = i3.R3. Do mesmo modo, como as d.d.p. entre Rx e R4 são iguais, escrevemos: i1.Rx=i3.R4. Dividindo-se essas duas expressões, membro a membro, tem-se: Rx/R1 = R4/R3 ou, para finalizar: Rx = R1.(R4/R3) 𝑹𝒙 = 𝑹𝟏× 𝑹𝟒 𝑹𝟑 A partir dela, podemos tirar várias conclusões: 1) Que qualquer cálculo feito no circuito, quando não há corrente no ramo BC, é independente das correntes que passam por ele. Isso quer dizer que, teoricamente, pode- se fazer uma ponte com quaisquer resistores e qualquer valor de tensão de bateria; 2) Que, se conhecermos o valor de três resistores do circuito, poderemos calcular diretamente, através da fórmula, o valor do quarto resistor; 3) Que, se substituímos o resistor do ramo BC por um amperímetro (ou miliamperímetro), pode verificar se há ou não corrente nesse ramo. 4) Se um dos resistores da ponte for substituído por um resistor variável, podemos ajustar o valor do mesmo, até que a corrente no ramo central da ponte seja igual a zero. 5 Dessa forma, um outro ramo da ponte pode ser reservado para a colocação de resistores de valor desconhecido, e, pelo ajuste do resistor variável, juntamente com a observação do amperímetro, terão sua resistência determinada. Os objetivos da prática foram, portanto: Identificar experimentalmente os Teoremas de Thévenin, Norton e da Superposição, além de verificar os princípios da Ponte de Wheatstone. 6 1.2. Procedimento Experimental: 1.2.1. Materiais Necessários. Para que a atividade experimental fosse desenvolvida, foram necessários alguns componentes básicos de operação. Dentre eles, temos: Materiais Protoboard. Fonte de tensão. Jamper, cabos de conexão. Resistores (100Ω, 110 Ω ,150Ω,220 Ω , 390Ω,432Ω, 1000 Ω e 2200 Ω) Alicates de bico e de corte Multímetro 7 1.3.Resultados e Discussão. 1.3.1. Teorema de Thévenin. 1) No circuito montado houve diferenças quanto aos valores das resistências e voltagem Figura 1. Circuito ideal Figura 2. Circuito obtido na prática As diferenças dos resistores são devido à suas tolerâncias, no caso dos circuitos montados, obteve-se valores diferentes do ideal. -No resistor 220 (vermelho-vermelho-marrom-ouro) tem uma tolerância de (+-5) -No resistor 110 (marrom-marrom-marrom-dourado) tem uma tolerância de (+-5) -No resistor 390 (laranja-branco-marrom-dourado) tem uma tolerância de (+-5) -No resistor 432 (amarelo-laranja-marrom-dourado)tem uma tolerância de (+-5) Já na voltagem a sua variação é devido ao manuseio na fonte de tensão. A corrente e a tensão obtidas no resistor 432 são: 2) A tensão ETh obtida entre os pontos A e B é: 8 3) A resistência RTh entre os mesmos pontos é: 4) Ajustando a fonte e a década conforme os valores obtidos de ETh e RTh , teve-se: 5) A corrente e a tensão no resistor de 432Ω 1.3.2. Teorema de Norton. A prática foi dividida em 4 partes, a primeira parte consiste na montagem e conexões, que foram feitas conforme a figura abaixo. Em seguida foi medida a corrente e a tensão no resistor 470Ω. I1 I2 B A 432 Ω 22 0Ω 2 2 0Ω 1 1 0Ω 390Ω 9 Na parte 2 retirou-se o resistor de 470Ω, e foi substituído por um curto-circuito, assim começando a aplicar a primeira lei de Norton, retirando o resistor e substituindo por um jamper, portanto definindo a corrente IN, corrente que circulará por esse curto-circuito, ou seja, semelhante a corrente que passaria no resistor, o I2. Voltou-se a abrir os pontos A e B na parte 3, e substituiu-se a fonte por um curto-circuito. Em seguindo foi medida resistência equivalente de Norton (RN) nos mesmo pontos anteriores, notando que essa resistência é a mesma de Théveninn, pois esses dois teoremas são correspondentes. R I V 470Ω 9,51 mA 4,09V IN 32,36mA B A I1 I2 2 2 0Ω 1 1 0Ω 1 1 0Ω 390Ω 390Ω 2 2 0Ω 10 Na etapa 4, ajustou-se a fonte para uma saída igual a zero volts. Depois foi montado o circuito com a década ajustada para o valor de RN, medido anteriormente, no valor de 178,7 R. O cálculo da resistência de Norton é feito do mesmo modo que a resistência de Thèvenin. Isto é: A resistência de Norton é a resistência equivalente entre os pontos A e B quando todas as fontes de tensão são curto-circuitadas ou substituídas pelas respectivas resistências internas. Ajustou-se a tensão da fonte de maneira que o multímetro mostrasse o valor da corrente de Norton, medido anteriormente, com o valor de 32,36 mA. Por fim, esse é o circuito equivalente de Norton, com sua devida resistência (RN) e corrente (IN), e mediu-se a corrente e a tensão que passa pelo resistor 432Ω. RN 178,7Ω R I V 432Ω 32,46mA 13,90V 432 Ω 432 Ω 178,7 Ω 11 Notou-se que a tensão no resistor medida é correspondente a corrente de Norton, pois todo composto por elementos lineares pode ser substituído por um gerador de corrente IN em paralelo com uma resistência RN, formando o circuito equivalente de Norton, como foi feito na prática. O equivalente de Norton, nada mais é do que a corrente de Norton (IN) e a resistência de Norton (RN) em paralelos com o resistor referencial. Como foi feito na pratica, a corrente medida, que foi colocada no circuito medindo ate seu valor calculado, e a resistência utilizando o potenciômetro para chegar ao valor daresistência de Norton e o resistor de interesse. Um fato interessante observado é que o equivalente de Norton pode ser obtido a partir do equivalente de Thévenin (e vice-versa) por meio de princípio da equivalência entre fontes de tensão e de corrente reais. Chegando a esse ponto podemos concluir que os resultados obtidos na pratica satisfazem aos resultados obtidos na teoria, embora que os mesmo não sejam todos iguais podemos notar que entre elas a uma proximidade. Isso se dá ao facto de que os aparelhos que nós usamos nem sempre nos dão um valor real normalmente tem sempre um pequeno erro de leitura ou mesmo no momento de medição tal fato de que os valores tendem há fugir um pouco uma da outra. 1.3.3. Teorema da Superposição. 1) Na placa protoboard, montou-se o circuito abaixo e em seguida mediu-se a corrente no resistor de 1KΩ. 2) Substitui-se a fonte de 12V por um curto-circuito levando em conta somente os efeitos da fonte de 3V, sendo observada a corrente no resistor de 1KΩ. I (A) 0,3 12 3) Colocou-se novamente a fonte de 12V no circuito, porém substitui-se a fonte de 3V por um curto-circuito, considerando agora somente o efeito isolado da fonte de 12V . Assim a corrente que passa pelo resistor de 1KΩ foi-se obtida. Aplicando o teorema da superposição pode-se obter o valor mais exato da corrente que passa pelo resistor de 1KΩ juntamente com as correntes I1 e I2 para cada uma das fontes independentemente. Analisando o circuito acima, nota-se que o circuito possui duas tensões, pelo método da superposição é necessário que se faça um curto-circuito na fonte de 12V, igualando a diferença de potencial (ddp) entre os terminais desta fonte a zero, obtendo-se o circuito: Logo em seguida obteve-se a resistência equivalente do circuito, onde: Req= R1//R2+ R3 =1.157,5 Ω IT1= V/ Req = 3V/1.157,5 Ω =2,59 x 10-3A Utilizando a regra do divisor de corrente, obtemos: I1= R2x IT1/ R1 + R2 = 1,78x10 -3A = 1,78mA Considerando somente o efeito da fonte de 12V e aplicado um curto-circuito na fonte de 3V, calculou-se a corrente no resistor de 1KΩ. I1 1,78mA I2 1,47mA 13 Req= R1 + R2//R3= 2.519,73Ω IT2= V/ Req = 12V/2.519,73Ω = 4,76x10-3A Utilizando a regra do divisor de corrente, I2= R3x IT1/ R3 + R2 = 1,52x10 -3ª= 1,52mA Como a corrente produzida pelas duas fontes têm o mesmo sentido, a intensidade da corrente é dada pela soma da intensidade das duas correntes. I=I1+I2 = 1,78mA+ 1,52mA = 3,3mA Comparando os resultados obtidos analiticamente e medidos, observe-se que, a corrente resultante (I) e a corrente (I2) que passam pelo resistor 1KΩ não são as mesmas. A corrente I2 obteve uma diferença extremamente próxima do valor teórico, uma vez que o multímetro oscilava bastante no momento da medição. A corrente resultante calculada não obteve o mesmo valor que a corrente resultante medida. O motivo dessa diferença pode estar associado ao fato de que, o analista ao medir a corrente resultante mediu a corrente I2 em sentido oposto ao da corrente I1, pois possivelmente a fonte de 3V estaria ligada em sentido oposto ao do circuito do experimente, um possível erro grosseiro. Logo, a corrente resultante foi dada pela diferença das duas correntes e não pelo somatório das correntes. 14 mA Resultados medidos Resultados calculados I 0,3 3,3 I1 1,78 1,78 I2 1,47 1,52 1.3.4. Ponte de Wheatstone. 1) Foi montado o circuito da figura abaixo. Ajustou-se o potenciômetro para o equilíbrio da ponte. Observação: Para fins de segurança, utilizamos um voltímetro que foi conectado após a montagem completa do circuito, numa escala apropriada, sendo sucessivamente abaixada para melhor sensibilidade e precisão da ponte. Neste momento, teve-se o cuidado de ajustar a fonte de tensão para um valor próximo de zero pois o princípio de medir uma resistência desconhecida pela Ponte de Wheatstone somente é válida quando a tensão e por consequência a corrente são nulas. 390 Ω 806Ω 15 2) Foi medido e anotado no quadro abaixo as tensões dos resistores e do potenciômetro. R 100Ω 150 Ω 390 Ω Rpot. V 0,491 0,882 0,449 0,924 Sabendo que para o circuito estar equilibrado, a corrente I, que passa pelo galvanômetro, deve ser igual a zero e para tanto a tensão VAB deve ser nula. Nessas condições, temos que a corrente I1 percorre R1 e R2 e a corrente I2 que percorre R3 e R4, pois não há deriva dessas correntes para o fio central. Logo, infere-se que as tensões VR1 é igual à tensão VR3, representada por VR1=VR3, e a tensão VR2 é igual à tensão VR4, formulada por VR2=VR4. A partir desta teoria, chegamos aos valores experimentais VR1= 0,491 V e VR3 = 0,449 V, obtendo-se uma diferença pequena com os valores não tão distantes e VR2=0,882 Ω e VR4 = 0,924 Ω, obtendo, então, pequenas variações das tensões obtidas. Sabendo que a tensão calculada V100Ω=V390Ω e que V150Ω=Vpotenciômetro, pois a corrente e a tensão que fluem no microamperímetro são nulas, chegamos aos valores calculados a seguir: Tensão do resistor de 100Ω: V100Ω= 𝑅1 𝑅1+𝑅2 * (Vfonte)= 100𝛺 100𝛺+150 𝛺 * (1,5V) = 0,6 V Tensão do resistor de 150 Ω: V100Ω= 𝑅2 𝑅1+𝑅2 * (Vfonte)= 150𝛺 100𝛺+150 𝛺 * (1,5V) = 0,9 V Tensão do resistor de 390 Ω: V100Ω= 𝑅3 𝑅3+𝑅𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 * (Vfonte)= 390𝛺 390𝛺+585 𝛺 * (1,5V) = 0,6 V Tensão do resistor do potenciômetro: V100Ω= 𝑅𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑅3+𝑅𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 * (Vfonte)= 100𝛺 100𝛺+150 𝛺 * (1,5V) = 0,9 V Abaixo, temos um quadro comparativo entre os valores medidos e os valores calculados, com seu respectivo erro experimental ou desvio: Resistor Valor Medido (V) Valor Calculado (V) Erro Experimental R1= 100Ω 0,491 V 0,600 V E.E.= 𝑉𝑀−𝑉𝐶 𝑉𝐶 *100 = 18,17% R2 = 150 Ω 0,882 V 0,900 V E.E.= 𝑉𝑀−𝑉𝐶 𝑉𝐶 *100 = 2,00% R3 = 390Ω 0,449 V 0,600 V E.E.= 𝑉𝑀−𝑉𝐶 𝑉𝐶 *100 = 25,17% Rpot = 585 Ω 0,924 V 0,900 V E.E.= 𝑉𝑀−𝑉𝐶 𝑉𝐶 *100 = 2,66% Observa-se, portanto, que os resistores R1 e R3 apresentaram grande distorção entre os valores calculados e os valores medidos. 16 3) Foi montado o circuito da figura abaixo para a medida das resistências: Neste momento, foi retirado o resistor de 390 Ω , sendo curto-circuitado para a medição das resistências desconhecidas. 4) Conectou-se entre os pontos A e B cinco resistores de valores desconhecidos. Ajustou-se o equilíbrio da ponte para cada resistor e anotou-se o valor ajustado da Rpot. no quadro abaixo, sendo observado também a resistência pelo ohmímetro: Rdec; Rx Rohm V R1 950Ω 633,33 Ω 218,3 Ω 0,256 V R2 949Ω 632,67 Ω 430 Ω 0,427 V R3 950Ω 633,33 Ω 0,98 Ω 0,696 V R4 937Ω 624,67 Ω 109 Ω 0,141 V R5 950Ω 633,33 Ω 137 Ω 0,1758 V A partir da fórmula conhecida, Rx=(R1/R2)*Rdéc., obtemos o valor das resistências desconhecidas, sendo obtidos valores anômalos dos valores dados pelo ohmímetro, sendo possíveis causas o fato de não conseguirmos estabelecer tensão nula entre os terminais A e B e erros de operação. Rx – Resistor R1 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (950Ω) = 633,33 Ω Rx – Resistor R2 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (949Ω) = 632,67 Ω Rx – Resistor R3 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (950Ω) = 633,33 Ω Rx – Resistor R4 = R1 R2. Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (937 Ω) = 624,67 Ω Rx – Resistor R5 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (950Ω) = 633,33 Ω Rpot. 17 1.4.Conclusão. As práticas realizadas visaram determinar experimentalmente a esquematização prática dos princípios que norteiam o Teorema de Thévenin, o Teorema de Norton e o Teorema da Superposição, além de avaliar o funcionamento da ponte de Wheatstone. Todos os experimentos foram realizados em um circuito em associação mista de resistores, cujo intuito foi verificar as aplicações práticas da teoria proposta pelos teoremas, além de avaliar se, de fato, a ponte de Wheatstone, serve para quantificar precisamente uma resistência de um resistor desconhecido. Boa parte dos dados calculados e medidos seguiram uma linha próxima, com alguns valores anômalos obtidos também. Percebeu-se que a operação correta dos equipamentos é fundamental para a obtenção de valores que confirmem a teoria proposta. 18 1.5.Anexos. 1.5.1. Teorema d Thévenin. 1) Compare os valores de V e I, obtidos no item 1 e no item 5 da experiência. O que você conclui? Que os valores das tensões e das correntes do resistor de 432Ω são similares. 2) Calcule o gerador equivalente de Thévenin, entre os pontos A e B para o circuito da figura abaixo e compare com os valores obtidos experimentalmente. R1= 220Ω; R2= 390Ω; R3= 110Ω; R4= 432Ω Para determinar o gerador equivalente de Thévenin, devemos retirar o resistor R4, deixando os pontos A e B em aberto. A tensão ETh será entre a tensão entre os pontos A e B. O circuito nessas condições é: Para calcular a corrente na malha aplicamos as leis de Kirchhoff: 10-220I1-390 I1-110 I1=0 10-720 I1=0 I1=10 / 720 I1= 13,88 mA I1(obtido experimentalmente) = 8,85 mA 19 Houve uma diferença significativa A tensão entre os pontos A e B é: ETh= VR2 ETh= 390.13,88.10^-3 ETh= 5,41 V ETh(obtido experimentalmente) = 5,35 V Houve uma aproximação dos resultados. A resistência RTh será obtida considerando a fonte curto-circuitada RTh = (R1+R3) .R2 / R1+R2 +R3 RTh= (220+110).390 / 220+390+110 RTh= 128700 / 720 RTh= 178,75Ω RTh(obtido experimentalmente) = 178,8Ω Houve similaridade entre os dois resultados. Podemos agora representar o gerador equivalente de Thévenin com os valores obtidos, 20 3) Determine a tensão e a corrente no resistor de 432Ω, utilizando o gerador equivalente de Thévenin que você obteve na questão anterior. Para calcular a corrente e a tensão no resistor R4, devemos conectá-lo entre os pontos A e B do gerador equivalente de Thévenin, servindo como carga deste. Aplicando a lei de ohm, calculamos os parâmetros desejados: I= 5,41 / 178,75+432 I= 5,41 / 610,75 I= 8,86 mA I(obtido experimentalmente) = 8,79 mA Os valores das correntes obtidos são bem próximos. V= 432.8,86.10^-3 V= 3,83 V V(obtido experimentalmente) = 3,76 V Os valores das voltagens foram obtidos bem próximos. 4) Sem utilizar o gerador equivalente de Thévenin, calcule a tensão e a corrente no resistor de 432Ω, do circuito da figura 21 Associando os resistores em paralelo 432Ω e 390Ω temos: Req= (R2.R4) / R2+R4 Req=(390.432) / 390+432 Req=168480/822 Req=205Ω Para achar a corrente total do circuito juntamos todos resistores, Req= 220+205+110 Req= 535 Ω Utilizando a lei de ohm achamos a corrente total do circuito, V= R.I 10= 535.I 22 I= 10 / 535 I= 18,69 mA Podemos agora encontrar as tensões em cada resistor voltando a este circuito, VR1= R1.I VR1=229.18,69.10^-3 VR1= 4,11 V VR2= R2.I VR2= 205.18,69.10^-3 VR2= 3,83 V VR3= R3.I VR3=110.18,69.10^-3 VR3=2,05 V Voltando ao circuito inicial, podemos achar a tensão e a corrente no Resistor, quando os resistores 390Ω e 432Ω estão em paralelo a tensão é a mesma que achamos no resistor 205Ω, portanto a tensão no resistor 432Ω é: 23 VR4= 3,83 V Ou seja, é aproximadamente a que obtivemos experimentalmente: VR4= 3,76 V Então a corrente no resistor R4 será: I=V / R I= 3,83 / 432 I= 8, 86 mA Ou seja, a corrente é aproximadamente a que obtivemos experimentalmente: I=8,79 mA 5) Determine a corrente e a tensão no resistor de 300Ω no circuito da figura abaixo , utilizando o teorema de Thévenin. R1= 120Ω; R2= 240Ω; R3= 360Ω; R4= 20Ω; R5= 300Ω Para determinar o gerador equivalente de Thévenin, devemos retirar o resistor R5, deixando os pontos A e B em aberto. A tensão ETh será entre a tensão entre os pontos A e B. O circuito nessas condições é: Para calcular a corrente na malha aplicaremos as leis de kirchhoff: 3,6-120I1-240 I1-360 I1-1=0 2,6-720 I1=0 I1= 2,6 / 720 I1= 3,61 mA A tensão entre os pontos A e B é: ETh= E2+VR3 = 1+360.3,61.10 -3 24 ETh= E2+VR3 = 1+360.3,61.10 -3 ETh= 2,3 V A resistência RTh será obtida considerando a fonte curto-circuitada RTh= (R1+R2) .R3 / R1+R2+R3 RTh= (120+240).360 / 720 RTh=129600 / 720 RTh= 180Ω Podemos agora representar o gerador equivalente de Thévenin com os valores obtidos, Para calcular a corrente e a tensão no resistor R4, devemos conectá-lo entre os pontos A e B do gerador equivalente de Thévenin, servindo como carga deste. Aplicando a lei de ohm, calculamos os parâmetros desejados. I = V / R V= 300* 4* 79*10-3 I = 2,3 / 180+300 V=1,43 V I = 4,79 mA 25 1.5.2. Teorema de Norton. 1) Compare os valores de V e I obtidos no item 1 e no item 6 da experiência. O que você conclui? Concluímos que são tensões diferentes pois no item 1, é apenas o circuito como um todo, mas no item 6, notamos que o circuito equivalente de Norton resultando em um circuito, com o RN paralelo a fonte, e a IN. 2) Calcule o gerador equivalente de Norton entre os pontos A e B para o circuito abaixo e compare com os valores obtidos experimentalmente Coloca-se o resistor em aberto e a fonte de tensão em curto para calcular o Req: Req=220 Ω + 110 Ω Req=330 Ω A partir do teorema de Kirchhof calcula-se a corrente: 720I1 – 390I2=10 -390I1 + 390I2=0 RN=330 Ω //390 Ω RN=178,7 Ω I1 = 25,64 mA I2 = 25,64 mA 432 Ω 22 0Ω 2 2 0Ω 1 1 0Ω 390Ω 2 2 0Ω 1 1 0Ω 390Ω 26 Os valores obtidos não batem, assim, ocorreu algum erro de medição. 3) Determine a tensão e a corrente no resistor de 470R utilizando o gerador equivalente de Norton que você obteve na questão anterior. V= IN . Req V=126,40 Ω . 25,64mA V=3,24V 4) Determine a corrente e a tensão no resistor de 300 Ω no circuito da figura abaixo, utilizando o teorema de Norton. 25,64mA 432R I=3,24/432 I=7,5mA 432 Ω 178,7 Ω 27 Colocam-se as fontes em curto e o local do resistor de interesse em aberto, para calcular o RN: RN = ((240 Ω + 120 Ω)//360 Ω) + 20 Ω RN = 200 Ω Agora para calcular a corrente IN, coloca-se a carga em curto e calcula por meio da lei de Kirchhof: 720I1 – 360I2 = 3,6 -360I1 + 360I2 = 1Circuito equivalente de Norton: Para a tensão: I1 = 12,778mA I2 = 10mA 28 V = IN.Req = 10mA. (200.300)/(200+300) = 1,2 V Para corrente no resistor 300 Ω: I=1,2V/300 Ω = 4mA 5) Determine a tensão e a corrente no resistor de 1,5K Ω no circuito da figura abaixo, utilizando o teorema de Norton. Colocam-se as fontes em curto e o local do resistor de interesse em aberto, para calcular o RN: RN = ((820Ω + 180Ω)// 1K Ω) RN = 2KΩ Agora para calcular a corrente IN, coloca-se a carga em curto e calcula por meio da lei de Kirchhoff: 1KΩI2 = 6V 820I1 + 180I1 = 12V I1 = 14,63mA 29 I2 = 6mA IN = 6mA + 14,63mA IN =20,63mA Circuito equivalente de Norton: Para a tensão: V = IN . Req = 20,3mA . 857,14Ω V = 17,4V Para corrente no resistor 1,5KΩ: I = 17,4V/1,5KΩ I = 11,6mA 1.5.3. Teorema da Superposição. 1)Com os valores obtidos nos itens 2 e 3, aplique o teorema da superposição e compare o valor obtido com o medido no item 1. Para se achar a corrente I1, calcula-se primeiro o resistor equivalente o circuito: Req= R1//R2+ R3 =1.157,5 Ω Depois se calcula a corrente que sai da tensão de 3V. IT1= V/ Req = 3V/1.157,5 Ω =2,59 x 10-3A Utilizando a regra do divisor de corrente, 30 I1= R2x IT1/ R1 + R2 = 1,78x10 -3A = 1,78mA Para calcular a corrente I2 usamos o mesmo processo porém consideramos o efeito da fonte de 12V. Req= R1 + R2//R3= 2.519,73Ω IT2= V/ Req = 12V/2.519,73Ω = 4,76x10-3A Utilizando a regra do divisor de corrente, I2= R3x IT1/ R3 + R2 = 1,52x10 -3ª= 1,52mA A corrente resultante que passa pelo resistor de 1KΩ é dada por, I=I1+I2 = 1,78mA+ 1,52mA = 3,3mA Os valores obtidos na medição no laboratório foram: I1= = 1,78mA I2= 1,47mA I=0,3mA Os valores das correntes 1 e 2 tiveram variações bem pequenas, já a corrente resultante obteve uma variação bem elevada, bem diferente da que se esperava. 2)Calcule a corrente I, utilizando o teorema da superposição, comparando-a com a medida no item 1. Resposta: Na questão anterior obtemos I1= 1,78mA e I2= 1,52mA pelo teorema da superposição. A corrente resultante que passa pelo resistor de 1KΩ é dada pelo somatório das correntes I1 e I2. I=I1+I2 = 1,78mA+ 1,52mA = 3,3mA A corrente resultante medida experimentalmente foi de 0,3mA. Ocorrendo uma diferença entre a corrente resultante teórica. 3) Determine o valor da corrente indicada pelo miliamperímetro da figura abaixo usando o teorema da superposição. 31 Resposta: Para encontrar a corrente que o miliamperímetro indica, primeiramente foi-se feito um curto-circuito na fonte de tensão de 3,6V. Levando em conta somente os efeitos da tensão de 7,2V. Obtemos a resistência equivalente do sistema: Req= (R3+R4//R5+R6)+ R1+ R2 = 144Ω Aplicando a Lei de Ohm IT1= V(G1)/ Req = 7,2V/144Ω =0,05A Pelo divisor de corrente, temos: I1= (320Ω/320Ω+ 80Ω)x0,05A= 0,04A Levando em conta somente os efeitos da tensão de 3,6V. E aplicando curto-circuito na fonte de 7,2V. Obtemos a resistência equivalente. Req = 35.55Ω Aplicando a Lei de Ohm : IT2= V(G2)/ Req=3,6V/35,55 Ω= 0,1A Usando o divisor de corrente, temos: I2= (80Ω/80Ω+80Ω)x 0,1A= 0,5A A corrente resultante é dada por: I= I1 + I2=0,04A+0,5A = 0,54A Somatório de I1 e I2 , pois as correntes I1 e I2 estão no mesmo sentido. 32 4) Utilizando o teorema da superposição, determine a corrente I, indicada na figura abaixo. Resposta: Aplicando o teorema da superposição, temos que a resistência equivalente do circuito, quando damos um curto-circuito na fonte de tensão de 8V e levamos em conta apenas os efeitos da tensão de 6V é de 256,40Ω. Aplicando a lei de Ohm para saber a corrente que sai da tensão de 6V,temos: IT1= V(G1)/ Req = 6V/256,40Ω =0,023A Pelo divisor de corrente, temos: I1= (1,5x10 3 Ω/1,5x103Ω+ 1x103Ω)x0,023A= 0,0138A Levando em conta somente os efeitos da tensão de 8V e aplicando curto-circuito na fonte de 6V. Obtemos a resistência equivalente. Req = 4x10 -4Ω ( resolvendo circuito que está em série e em paralelo) Aplicando a Lei de Ohm IT2= V(G2)/ Req=8V/4x10 -4 Ω= 2x10-4 A Usando o divisor de corrente, temos: I2= (666,66Ω/666,66Ω+1x103Ω)x 2x10-4 A =8 x 10-5 A A corrente resultante é dada por: I= I1 + I2= 0,0138A + 8 x 10 -5 A= 0,01388A Somatório de I1 e I2 , pois as correntes I1 e I2 estão no mesmo sentido. 1.5.4. Ponte de Wheatstone. 1. Calcule o valor de Rpot para obter o equilíbrio da ponte para o circuito da figura abaixo. 33 Cálculo: R3= R1 R2 . Rp 390 Ω = 100𝛺 150 Ω . (Rp) Rp= 585 Ω Resposta: Logo, o valor obtido de resistência para o potenciômetro é de 585 Ω. 2. Com o valor obtido na questão anterior, calcule as tensões em cada resistor e no potenciômetro. Compare com os valores obtidos no item 2. Resposta: Os dados obtidos do item 2 foram: R 100Ω 150 Ω 390 Ω Rpot. V 0,491 0,882 0,449 0,924 Os cálculos são gerados a partir do Rpot.= 585Ω Sabendo que a tensão calculada V100Ω=V390Ω e que V150Ω=Vpotenciômetro, pois a corrente e a tensão que fluem no microamperímetro são nulas, chegamos aos valores abaixo: Tensão do resistor de 100Ω: V100Ω= 𝑅1 𝑅1+𝑅2 * (Vfonte)= 100𝛺 100𝛺+150 𝛺 * (1,5V) = 0,6 V Tensão do resistor de 150 Ω: V100Ω= 𝑅2 𝑅1+𝑅2 * (Vfonte)= 150𝛺 100𝛺+150 𝛺 * (1,5V) = 0,9 V Tensão do resistor de 390 Ω: V100Ω= 𝑅3 𝑅3+𝑅𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 * (Vfonte)= 390𝛺 390𝛺+585 𝛺 * (1,5V) = 0,6 V Tensão do resistor do potenciômetro: V100Ω= 𝑅𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑅3+𝑅𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 * (Vfonte)= 100𝛺 100𝛺+150 𝛺 * (1,5V) = 0,9 V Abaixo, temos um quadro comparativo entre os valores medidos e os valores calculados, com seu respectivo erro experimental ou desvio: Resistor Valor Medido (V) Valor Calculado (V) Erro Experimental 390 Ω 34 R1= 100Ω 0,491 V 0,600 V E.E.= 𝑉𝑀−𝑉𝐶 𝑉𝐶 *100 = 18,17% R2 = 150 Ω 0,882 V 0,900 V E.E.= 𝑉𝑀−𝑉𝐶 𝑉𝐶 *100 = 2,00% R3 = 390Ω 0,449 V 0,600 V E.E.= 𝑉𝑀−𝑉𝐶 𝑉𝐶 *100 = 25,17% Rpot = 585 Ω 0,924 V 0,900 V E.E.= 𝑉𝑀−𝑉𝐶 𝑉𝐶 *100 = 2,66% Observa-se, portanto, que os resistores R1 e R3 apresentaram grande distorção entre os valores calculados e os valores medidos. 3. Determine o valor de Rx para cada caso no item 4, anotando os resultados no quadro abaixo: Rdec; Rx Rohm V R1 950Ω 633,33 Ω 218,3 Ω 0,256 V R2 949Ω 632,67 Ω 430 Ω 0,427 V R3 950Ω 633,33 Ω 0,98 Ω 0,696 V R4 937Ω 624,67 Ω 109 Ω 0,141 V R5 950Ω 633,33 Ω 137 Ω 0,1758 V Cálculo: Rx – Resistor R1 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (950Ω) = 633,33 Ω Rx – Resistor R2 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (949Ω) = 632,67 Ω Rx – Resistor R3 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (950Ω) = 633,33 Ω Rx – Resistor R4 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (937 Ω) = 624,67 Ω Rx – Resistor R5 = R1 R2 . Rdéc. Rx= 100Ω 150Ω . (950Ω) = 633,33 Ω 4. Compare os valores obtidos no exercício anterior com os valores medidos com o ohmímetro constante no quadro. Resposta: Os resultados apresentaram grande distorção. Talvez,porque o princípio da Ponte de Wheatstone não foi totalmente respeitado pelo fato de a tensão não ser nula, como deveria. Rdec; Rx Rohm R1 950Ω 633,33 Ω 218,3 Ω 35 R2 949Ω 632,67 Ω 430 Ω R3 950Ω 633,33 Ω 0,98 Ω R4 937Ω 624,67 Ω 109 Ω R5 950Ω 633,33 Ω 137 Ω 5. Por que utilizamos, na ponte de Wheatstone, um microamperímetro e não um miliamperímetro? Resposta: Utilizamos, na Ponte de Wheatstone, um microamperímetro e não um milicamperímetro para aumentar a precisão da medida de resistência do resistor desconhecido. 6. Calcular Rx para a figura abaixo, sabendo que a ponte está no equilíbrio e o cursor do potenciômetro está no ponto médio. Cálculo: 𝑅1 𝑅3 = 𝑅2 𝑅𝑥 20𝛺 10𝛺 = 100𝛺 𝑅𝑥 Rx= 50 Ω 7. Estando a ponte no equilíbrio, determine Rx, VAB, VDC,VR3 e I1 para a figura abaixo. 36 Cálculo: 𝑅1 𝑅3 = 𝑅2 𝑅𝑥 1500 𝛺 750 𝛺 = 300 𝛺 𝑅𝑥 Rx = 150 Ω VAB = 0 V VR3 = 𝑅3 𝑅1+𝑅3 *V = 750 𝛺 1500 𝛺+750 𝛺 * (10V) = 3,33 V VDC = I = 𝑉3 𝑅3 = 3,33 𝑉 750 𝛺 = 4,44 mA 37 1.6.Referências Bibliográficas. 1) BOYLESTESTAD, ROBERT L. 1998. Introdução a análise de circuitos.8ª. Rio de Janeiro . 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Rio de Janeiro, RJ: LTC-Livros Técnicos e Científicos, c2008. xxii, 795 p. ISBN 978-85-216-1582-8. 9)JOHNSON, David E.; HILBURN, John L.; JOHNSON, Johnny R. Fundamentos de análise de circuitos elétricos. 4. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC-Livros Técnicos e Científicos, c2000. 539 p. ISBN 8521612389.