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Página 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ - CAMPUS RUSSAS CENTRO DE TECNOLOGIA LABORATÓRIO DE FÍSICA FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA PRÁTICA 12: LEI DE OHM ALUNO: ANTÔNIO MÁRCIO FERNANDES ALMEIDA MATRÍCULA: 384905 CURSO: ENGENHARIA CIVIL TURMA: 03 PROFESSOR: DR. ANDERSON MAGNO DISCIPLINA: FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA NOVEMBRO DE 2016 RUSSAS – CE Página 2 SUMÁRIO 1 OBJETIVOS………………………………………………………………………………3 2 MATERIAIS…………………………………………………………...………………….3 3 FUNDAMENTOS TEÓRICOS…………………………………………………………...3 4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL…………………………………………………...5 5 QUESTIONÁRIO………………………………………………………………………...8 RESULTADOS E DISCUSSÕES……………………………………...………………….10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………………..11 NOVEMBRO DE 2016 RUSSAS – CE Página 3 1 - OBJETIVOS - Verificar experimentalmente a lei de Ohm; - Montar circuitos para determinar a resistência elétrica utilizando-se dos valores de tensão e corrente; - Distinguir condutores ôhmicos de não-ôhmicos. 2 - MATERIAIS - Fonte de 6V; - Potenciômetro; - Resistores R1 e R2 (100Ω e 47Ω); - Resistências L1 e L2 (filamento de lâmpada); - Multímetro digital (dois); - Cabos (diversos); - Módulo de curto-circuito 3 - FUNDAMENTOS TEÓRICOS No século XIX, mais precisamente na década de vinte, um físico e matemático alemão chamado Georg Simon Ohm realizou publicações que são conhecidas até os dias atuais, e os resultados de suas pesquisas foram denominadas em sua homenagem como as “Lei de Ohm”. No período, Georg não possuía seu próprio laboratório, porém era professor de matemática e física numa escola da época, e utilizava os laboratórios da escola para realizar suas experiências com circuitos elétricos, linha de pesquisa inédita até então. Quando seus resultados foram publicados pela primeira vez, foi considerada incompleta e incoerente por Ohm não apresentar uma documentação, fato esse que culminou na sua demissão como professor, passando a viver de aulas particulares e realizando as mais diferentes tarefas. Além disso, seu trabalho necessitou de vinte e dois anos para obter reconhecimento sobre sua contribuição para o conhecimento de eletricidade. Nessa perspectiva, os resultados dessas experiências foram publicados no trabalho “O circuito galvânico investigado matematicamente”. Ohm descobriu que a corrente que atravessa um fio condutor é proporcional à diferença de potencial aplicada, à área da seção transversal do fio e inversamente proporcional ao comprimento. Umas das maiores leis empíricas relativos a circuitos elétricos, que com ela ganhou uma cátedra da Universidade de Munique, e recebeu a medalha Copley da Royal Society em 1841. Página 4 Com isso, a primeira lei de Ohm é hoje conhecida como a proporcionalidade entre a corrente e a diferença de potencial observada em alguns tipos de materiais, e os componentes que apresentam essa propriedade são chamados de ôhmicos. O quanto de tensão tem de ser aplicada para passar certa corrente em um dispositivo de circuito é denotada pelo cociente de V / I. Dessa forma, quanto maior for a dificuldade que o dispositivo impõe a passagem da corrente, maior deve ser a tensão aplicada para estabelece um certo valor de corrente. Então, diz-se que a razão V/I é uma medida da dificuldade imposta pelo dispositivo à passagem da corrente elétrica e por isso é denominada de resistência elétrica (R). A unidade de resistência no SI foi denominada Ohm (Ω) em homenagem a Georg Simon Ohm. A representação matemática dessa lei é dada pela seguinte equação: V = RI ou R = V/I A fórmula acima representada pode ser compreendida em uma relação para processos de conversão de energia, onde Nos circuitos elétricos, o efeito que desejamos estabelecer é o escoamento de cargas ou corrente. A tensão entre os dois pontos do circuito ou a diferença de potencial é a causa. E a oposição ao escoamento das cargas é a resistência. Conhecendo a relação matemática de Ohm determinou, podemos nos aprofundar em como ela pode ser representada graficamente. Uma vez que o traçado de gráficos desempenha um papel importante em todos os campos da ciência e tecnologia. Os gráficos V-I são denominadas curvas características., ao traçarmos a curva características de uma componente, representamos a corrente no eixo vertical (ordenada) e a tensão no eixo vertical (abscissa), como ilustra a Figura 1 (estas escolhas de eixos são usadas para a maioria dos dispositivos eletrônicos). Observe primeiramente que o eixo vertical representa amperes, e o eixo horizontal representa volts. Figura 1 – Gráfico V-I para um resistor que obedece a lei de Ohm. Página 5 Observe no gráfico para os parâmetros escolhidos é necessário que o espalhamento entre os valores numéricos do eixo vertical seja diferente do espaçamento entre os valores numéricos do eixo horizontal. A linha reta obtida nos revela que a resistência deste elemento não depende da tensão aplicada (ou seja, este é gráfico V-I de um componente que obedece a lei de Ohm). Já conhecemos que a resistência elétrica está associada a oposição do fluxo de carga (corrente) em um determinado circuito. Logo, um resistor, é um componente eletroeletrônico que cuja função é adicionar resistência elétrica ao circuito. O símbolo da resistência no circuito está indicado na Figura 2. Figura 2 – Símbolo de resistor. Dessa forma, a resistência elétrica de um condutor depende, basicamente, de quatro fatores: o seu comprimento, a área de sua secção transversal, o material de que ele é feito e da temperatura. 4 – PROCEDIMENTO 1- Meça o valor da resistência cujo valor nominal é de 100 Ω: R1 = 99,4 Ω. 2- Mantendo a fonte de tensão DESLIGADA, monte o circuito esquematizado na Figura 3. Figura 3 – Circuito com voltímetro e amperímetro. Página 6 3- Calcule a corrente nominal máxima através de R1 (100Ω) sabendo que, de acordo com a Tabela 1, a tensão nominal máxima aplicada será de 5V. IR1 = 10,16 A ; Escala – 200mA Baseado neste resultado você deve decidir qual escala do amperímetro escolher, caso necessite mais de 200mA mude o cabo vermelho para a posição 10A e adote a escala 10A. Observe que o voltímetro deve ser ligado em paralelo e o amperímetro em série. Na dúvida pergunte ao professor. ATENÇÃO: - Observe bem as posições dos cabos antes de ligar a fonte; - Escolha a escala do AMPERÍMETRO baseado no valor nominal da corrente calculado no item (2) acima. - Escolha a escala do VOLTÍMETRO tendo em mente o valor máximo de tensão da Tabela 1. 4- Coloque a fonte de tensão em 0,5V. Meça e anote na Tabela 1 a tensão efetivamente aplicada. Meça também e anote os valores correspondentes da corrente (leitura do amperímetro). 5- Repita o procedimento para os outros valores indicados na Tabela 1. Tabela 1. Resultados experimentais para R1. V(Volt)* V(Volt)** I(mA) 0,5 0,5 5,02 1,5 1,5 15,12 2,5 2,5 25.20 3,5 3,5 35,40 4,5 4,5 45,90 5,5 5,5 56,50 *Voltagem-nominal. **Voltagem efetivamente aplicada. 6- Meça o valor da resistência do resistor R2: R2 = 46,2 Ω. 7- Com a fonte desligada, substitua o resistor R1 pelo resistor R2 no circuito montado anteriormente. 8- Calcule a corrente nominal máxima através deR2 sabendo que, de acordo com a Tabela 2, a tensão máxima aplicada será de 6 V. IR2 = 7,7 A ; Escala – 200mA 9- Baseado neste resultado você deve decidir qual escala do amperímetro escolher. Página 7 10- Repita o procedimento anterior para o resistor R2 e anote na Tabela 2 Tabela 2. Resultados experimentais para R2. V(Volt)* V(Volt)** I(mA) 0,5 0,5 10,7 1,5 1,5 32,4 2,5 2,5 54,2 3,5 3,5 76,2 4,5 4,5 98,1 5,5 5,5 117,6 *Voltagem-nominal. **Voltagem efetivamente aplicada. 11- Substitua R2 pela resistência L1 (filamento da lâmpada). Ajuste os valores de tensão conforme a Tabela 3 e anote os valores correspondentes de corrente. ATENÇÃO: COMO VOCÊ NÃO SABE QUAL É A RESISTÊNCIA DO FILAMENTO DA LÂMPADA, VOCÊ NÃO SABERÁ QUAL A CORRENTE ELÉTRICA ESPERADA. NESTE CASO USE INICIALMENTE UMA ESCALA BEM ALTA NO AMPERÍMETRO (sugestão 200 mA) E DEPOIS MUDE PARA UMA ESCALA MENOR SE NECESSÁRIO. Tabela 3. Resultados experimentais para L1. V(Volt)* V(Volt)** I(mA) 0,5 0,5 45,2 1,5 1,5 80,4 2,5 2,5 111,3 3,5 3,5 138,6 4,5 4,5 163,6 5,5 5,5 178,6 *Voltagem-nominal. **Voltagem efetivamente aplicada. 9- Repita o procedimento anterior para L2 Aqui também, utilize UMA ESCALA BEM ALTA NO AMPERÍMETRO (sugestão 10 A) E DEPOIS MUDE PARA UMA ESCALA MENOR SE NECESSÁRIO. Tabela 4. Resultados experimentais para L2. V(Volt)* V(Volt)** I(mA) 0,5 0,5 95,3 1,5 1,5 163,9 Página 8 2,5 2,5 220 3,5 3,5 260 4,5 4,5 300 5,5 5,5 330 *Voltagem-nominal. **Voltagem efetivamente aplicada. 5 – QUESTIONÁRIO 1- Trace, em um mesmo gráfico, a tensão versus corrente elétrica para os dados das Tabelas 1 e 2. 2- O que representa a declividade do gráfico da questão 1? Determine a declividade para o resistor R1 e também para o resistor R2. - A declividade ou coeficiente angular de uma reta é a tangente trigonométrica de sua inclinação, representada por m na equação reduzida da reta (y = mx + q). Como a declividade é tg α, onde α é a inclinação da reta (menor ângulo entre a reta e o eixo x), temos: tg α = U/I = R, logo, a declividade do gráfico 1 representa a resistência. Sabendo que tg α = m = (y-y0) / (x-x0), podemos calcular a declividade de uma reta conhecendo dois de seus pontos. - R1: tg α = m = (2,5 V – 1,5 V) / (25,2 mA – 15,12 mA) x 10-3 = 92,59 Ω - R2: tg α = m = (2,5 V – 1,5 V) / (54,2 mA – 32,4 mA) x 10-3 = 45,87 Ω Página 9 3- Qual a resistência do resistor R4, quando submetida às tensões de 0,5, 2,5 e 5,5V. - V= R . I 0,5 V = R. (0,0953) A R = 5,24 Ω - V = R . I 2,5 V = R. (0,220) A R = 10 Ω - V = R . I 5,5 V = R. (0,330) A R = 16,66 Ω 4- Classifique os resistores R1, R2, L1 e L2 como ôhmico ou não-ôhmico. Justifique. - Os resistores R1 e R2 são ôhmicos, pois, além de obedecerem à lei de ohm (U = R. I), suas resistências se mantém constante independente da tensão e da corrente variarem. Já L1 e L2 são não-ôhmicos, porque não obedecem à lei de ohm nem possuem resistência constante. 5- Determine pelo gráfico da questão 1 a intensidade da corrente que percorre o resistor R1 quando o mesmo é submetido a uma tensão de 4,0 V. Repita para o resistor R2. - R1 = 50 Ω; R2 = 86 Ω 6- Calcule a resistência da lâmpada, L1, quando submetida às tensões: 0,5, 2,5 e 5,5V. - V = R . I 0,5 V = R. (0,0452) A R = 11,06 Ω - V = R . I 2,5 V = R. (0,0804) A R = 18,65 Ω - V = R . I 5,5 V = R. (0,1786) A R = 30,79 Ω 7- Qual a resistência da lâmpada L2, quando submetida a uma corrente de 100 mA. - Ficara próxima de I = 95,5 mA, que tem resistência 5,24 Ω, logo terá resistência aproximada >5,24 Ω. 8- Faça o gráfico da tensão versus corrente elétrica para os dados da Tabela 3. Página 10 9- Faça o gráfico da tensão versus corrente elétrica para os dados da Tabela 4. RESULTADOS E DISCURSSÕES A prática experimental se deu forma satisfatória, pois trouxe a possibilidade de comprovar a lei de Ohm dos elementos resistivos, e graficamente visualizar a diferença de potencial elétrica em função da corrente i. além disso, através dos cálculos pode ser obter resultados de corrente e de resistividade dos circuitos montados Nesse sentido, foi possível verificar a o comportamento esperado de acordo com o indicado pela teoria para resistores denominado ôhmicos e não ôhmicos. Os primeiros, os resistores ôhmicos, apresentaram comportamento com sua resistência constante, salvo as pequenas variações devido à imprecisão da fonte em fornecer as tensões exatamente como listadas. Porém, os segundos, os resistores não ôhmicos, por sua vez, mostraram, como previsto na teoria, a resistência variável. Devemos dar ênfase também que o cálculo do coeficiente angular ou inclinação da curva para o resistor não ôhmico, a rigor, deveria ser feito com o auxílio de integração, tendo em vista a obtenção de valores mais próximos da realidade. Contudo, a resistência não foi exatamente constante devido à imprecisão da fonte em fornecer as tensões rigorosamente como listadas e dos equipamentos, multímetros e Página 11 cabos, em medir precisamente a tensão e a corrente, logo o experimento esteve sujeitos a erros humanos e mecânicos que geram variações nos resultados encontrados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS MAGNO, Anderson. Manual de práticas – Física experimental. Russas - CE: UFC, 2016. AFONSO, Antonio Pereira; FILOLI, Enio. Eletrônica: circuitos elétricos. São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011 (Coleção Técnica Interativa. Série Eletrônica, v. 1). HALLIDAY, David, Resnik Robert, Krane, Denneth S. “Física 3”, volume 2, 5 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. INSTRUMENTOS DE MEDIDAS. Disponível em <http://www.ufrgs.br/eng04030/Aulas/teoria/cap_01/instrume.htm> Acesso em 02 de outubro de 16
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