Aula 4 Potenciômetros e Lâmpadas

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EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  4	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   1/6	
  
	
  
Introdução	
  Teórica	
  Aula	
  4:	
  
Potenciômetros	
  e	
  Lâmpadas	
  
Potenciômetros	
  Um	
  potenciômetro	
   é	
   um	
   resistor	
   cujo	
   valor	
   de	
   resistência	
   é	
   variável.	
   Assim,	
   de	
   forma	
   indireta,	
   é	
  possível	
   controlar	
   a	
   intensidade	
   da	
   corrente	
   que	
   flui	
   através	
   de	
   um	
   circuito,	
   quando	
   ligados	
   em	
  paralelo,	
  ou	
  a	
  diferença	
  de	
  potencial,	
  quando	
  ligados	
  em	
  série.	
  Normalmente,	
  os	
  potenciômetros	
  são	
  utilizados	
  em	
  circuitos	
  de	
  correntes	
  baixas.	
  Para	
  circuitos	
  de	
  correntes	
  mais	
  elevadas,	
  reostatos,	
  que	
  podem	
  dissipar	
  mais	
  energia	
  são	
  usados.	
  Segundo	
  a	
  sua	
  aplicação	
  se	
  distinguem	
  em	
  dois	
  tipos:	
  • Potenciômetro	
   de	
   controle	
   (giratório,	
   deslizando	
   ou	
   múltiplo).	
   Adequado	
   para	
   utilização	
  como	
  elemento	
  de	
  controle	
  em	
  dispositivos	
  electrônicos.	
  O	
  utilizador	
  opera	
  sobre	
  eles	
  para	
  variar	
  os	
  parâmetros	
  de	
  operação	
  normais.	
  Por	
  exemplo,	
  o	
  volume	
  de	
  um	
  rádio.	
  • Potenciômetro	
   de	
   ajuste:	
   Controlar	
   os	
   parâmetros	
   predefinidos	
   normalmente	
   em	
   fábrica,	
  que	
   o	
   usuário	
  muitas	
   vezes	
   não	
   precisa	
   ajustar,	
   de	
  modo	
   geral,	
   não	
   acessíveis	
   a	
   partir	
   do	
  exterior.	
  Há	
  tanto	
  modelos	
  encapsulados	
  como	
  não	
  encapsulados.	
  De	
  acordo	
  com	
  a	
  lei	
  de	
  variação	
  da	
  resistência	
  podem	
  ser	
  lineares,	
  logarítmicos	
  ou	
  sinoidais.	
  	
  A	
   figura	
   abaixo	
   mostra	
   um	
   potenciômetro	
   de	
   comando	
   rotatório.	
   O	
   potenciômetro	
   tem	
   três	
  terminais	
   e	
   pode	
   ser	
  modelado	
   por	
   um	
   resistor	
   RAB	
   (entre	
   A	
   e	
   B)	
   em	
   série	
   com	
   um	
   resistor	
   RBC	
  (entre	
  B	
  e	
  C).	
  A	
  resistência	
  da	
  associação	
  em	
  série	
  (entre	
  A	
  e	
  C)	
  é	
  dada	
  por	
  RAC	
  =	
  RAB	
  +	
  RBC.	
  Ambas	
  as	
  resistências	
   RAB	
   e	
   RBC	
   podem	
   ser	
   ajustadas	
   girando-­‐se	
   um	
   botão,	
   porém	
   a	
   resistência	
   total	
   RAC	
  
mantém-­‐se	
  sempre	
  constante,	
  em	
  um	
  valor	
  especificado	
  pelo	
  fabricante.	
  Isto	
  é,	
  girando-­‐se	
  o	
  botão	
  para	
  um	
  lado,	
  RAB	
  aumenta	
  e	
  RBC	
  diminui,	
  e	
  girando-­‐se	
  para	
  o	
  outro	
  lado	
  o	
  contrário	
  acontece.	
  (Na	
  prática,	
  a	
  relação	
  RAC	
  =	
  RAB	
  +	
  RBC	
  não	
  é	
  exata	
  devido	
  à	
  resistência	
  interna	
  no	
  terminal	
  B.)	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
Lâmpadas	
  A	
   lâmpada	
   incandescente	
  é	
  um	
  dispositivo	
  eléctrico	
  que	
   transforma	
  energia	
  elétrica	
  em	
  energia	
  luminosa	
  e	
  energia	
  térmica	
  (ver	
  Figura	
  2).	
  Desde	
  o	
   início	
  do	
  século	
  XIX,	
  vários	
   inventores	
  tentaram	
  construir	
   fontes	
  de	
  luz	
  à	
  base	
  de	
  energia	
  elétrica.	
  Humphry	
  Davy,	
  em	
  1802,	
  construiu	
  a	
  primeira	
  fonte	
   luminosa	
   com	
   um	
   filamento	
   de	
   platina,	
   utilizando-­‐se	
   do	
   efeito	
   Joule,	
  observado	
   quando	
   um	
   resistor	
   é	
   aquecido	
   pela	
   passagem	
   de	
   uma	
   corrente	
  elétrica	
   a	
   ponto	
   de	
   emitir	
   luz	
   visível.	
   Outros	
   vinte	
   e	
   um	
   inventores	
  construíram	
   lâmpadas	
   incandescentes	
   antes	
   de	
   Thomas	
   Alva	
   Edison	
   (na	
  fotografia),	
  que	
  foi	
  o	
  primeiro	
  a	
  construir	
  a	
  primeira	
   lâmpada	
   incandescente	
  comercializável	
  em	
  
Figura	
  1:	
  Potenciômetro	
  de	
  controle	
  giratorio,	
  símbolo	
  e	
  estrutura	
  interna.	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  4	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   2/6	
  
1879,	
   utilizando	
   uma	
   haste	
   de	
   carvão	
   (carbono)	
   muito	
   fina	
   que,	
   aquecida	
   acima	
   de	
  aproximadamente	
  900	
  K,	
  passa	
  a	
  emitir	
  luz,	
  inicialmente	
  bastante	
  avermelhada	
  e	
  fraca,	
  passando	
  ao	
  alaranjado	
   e	
   alcançando	
   o	
   amarelo,	
   com	
   uma	
   intensidade	
   luminosa	
   bem	
   maior,	
   ao	
   atingir	
   sua	
  temperatura	
   final,	
   próximo	
  do	
   ponto	
   de	
   fusão	
   do	
   carbono,	
   que	
   é	
   de	
   aproximadamente	
   3800	
  K.	
   A	
  haste	
  era	
  inserida	
  numa	
  ampola	
  de	
  vidro	
  onde	
  havia	
  sido	
  formado	
  alto	
  vácuo.	
  	
  Apesar	
   de	
   proporcionar	
   uma	
   luminosidade	
   muito	
   mais	
   aconchegante	
   e	
   de	
   ter	
   ainda	
   maior	
  durabilidade	
   onde	
   se	
   acende	
   e	
   apaga	
   com	
   frequência,	
   o	
   rendimento	
   da	
   lâmpada	
   incandescente	
   é	
  mínimo:	
  apenas	
  o	
  equivalente	
  a	
  5%	
  da	
  energia	
  elétrica	
  consumida	
  é	
  transformado	
  em	
  luz,	
  os	
  outros	
  95%	
  são	
   transformados	
  em	
  calor.	
  Por	
  causa	
  deste	
  desperdício,	
  a	
  União	
  Europeia	
  decidiu	
  abolir	
  as	
  lâmpadas	
   incandescentes	
   a	
   partir	
   de	
   2012.	
   Lâmpadas	
   incandescentes	
   foram	
  abolidas	
   no	
  Brasil	
   	
   a	
  partir	
  de	
  2013.	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
Figura	
  2:	
  	
  Estrutura	
  da	
  lâmpada	
  incandescente	
  e	
  tipos	
  de	
  lâmpada	
  existente	
  no	
  mercado.	
  
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  Básica	
  –	
  Aula	
  4	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   3/6	
  
Roteiro	
  laboratório	
  Aula	
  4:	
  
Potenciômetros	
  e	
  Lâmpadas	
  
Objetivos	
  
• Aprender	
  a	
  utilizar	
  o	
  potenciômetro	
  
• Examinar	
  uma	
  aplicação	
  do	
  conceito	
  de	
  limitação	
  de	
  corrente	
  
• Determinar	
  a	
  curva	
  característica	
  de	
  corrente	
  versus	
  tensão	
  para	
  uma	
  lâmpada	
  
Lista	
  de	
  material	
  
• Resistores	
  R0	
  =	
  100Ω,	
  R1	
  =	
  220Ω	
  e	
  potenciômetro	
  de	
  1kΩ	
  
• Lâmpada	
  de	
  12V	
  DC	
  
• Fonte	
  de	
  tensão	
  ajustável	
  0-­‐30V,	
  fonte	
  de	
  tensão	
  DC,	
  protoboard,	
  multímetro,	
  etc	
  
Roteiro	
  do	
  experimento	
  
	
  	
  1) Meça	
   as	
   resistências	
   RAB,	
   RBC	
   e	
   RAC	
   do	
   potenciômetro	
   para	
   5	
   posições	
   diferentes	
   do	
   botão	
   de	
  ajuste	
  e	
  preencha	
  a	
  tabela	
  1.	
  Verifique	
  a	
  relação	
  RAB	
  +	
  RBC	
  =	
  RAC	
  (aproximadamente).	
  	
  2) No	
  circuito	
  abaixo,	
  o	
  potenciômetro	
  está	
  sendo	
  usado	
  como	
  divisor	
  de	
  tensão.	
  Considere	
  Vf	
  =	
  5V.	
  	
  
	
  	
   a) Determine	
   teoricamente	
   qual	
   deve	
   ser	
   o	
   valor	
   da	
   resistência	
   RBC	
   para	
   que	
   VBC	
   =	
   1V.(Dica:	
  utilize	
  a	
  regra	
  do	
  divisor	
  de	
  tensão.)	
  	
  b) Monte	
  o	
   circuito	
  e,	
  medindo	
  com	
  o	
  multímetro	
  a	
   tensão	
  entre	
  os	
   terminais	
  B	
  e	
  C,	
   ajuste	
  o	
  potenciômetro	
  de	
  forma	
  a	
  obter	
  VBC	
  =	
  1V.	
  Note	
  que	
  a	
  fonte	
  deve	
  ser	
  conectada	
  aos	
  terminais	
  A	
  e	
  C	
  do	
  potenciômetro.	
  c) Desconecte	
  o	
  potenciômetro	
  do	
  circuito	
  (com	
  cuidado	
  para	
  não	
  girar	
  o	
  botão),	
  meça	
  RBC	
  com	
  o	
  multímetro	
  e	
  compare	
  com	
  o	
  valor	
  obtido	
  no	
  item	
  anterior.	
  	
  Quando	
  se	
  deseja	
  obter	
  um	
  resistor	
  ajustável,	
  basta	
  usar	
  dois	
  terminais	
  do	
  potenciômetro,	
  sendo	
  um	
  deles	
  o	
  terminal	
  central	
  (B).	
  Nesse	
  caso,	
  uma	
  das	
  extremidades	
  não	
  é	
  utilizada.	
  
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  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  4	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   4/6	
  
	
  3) O	
   circuito	
   abaixo	
   possui	
   um	
   resistor	
   ajustável	
   Rp	
   e	
   uma	
   lâmpada.	
   Assuma	
   Vf	
   =	
   15V	
   e	
   que,	
  inicialmente,	
  Rp	
  está	
  em	
  seu	
  valor	
  mínimo.	
  	
  
	
  	
   a) O	
  que	
  você	
  espera	
  observar	
  quando	
  o	
  circuito	
  for	
  montado?	
  b) O	
  que	
  você	
  espera	
  que	
  aconteça	
  à	
  medida	
  que	
  Rp	
  é	
  aumentado	
  até	
  seu	
  valor	
  máximo?	
  c) 	
  Monte	
   o	
   circuito	
   e	
   confirme	
   as	
   suas	
   respostas	
   aos	
   itens	
   anteriores.	
   (Lembre	
   que,	
   neste	
  circuito,	
  o	
  potenciômetro	
  deve	
  ser	
  conectado	
  utilizando	
  o	
  terminal	
  central.)	
  d) Determine	
  o	
  maior	
  valor	
  de	
  tensão	
  abaixo	
  da	
  qual	
  a	
  lâmpada	
  pode	
  ser	
  considerada	
  apagada.	
  	
  4) O	
  circuito	
  abaixo	
  utiliza	
  uma	
  fonte	
  de	
  tensão	
  ajustável	
  Vf	
  =	
  0-­‐30V.	
  	
  
	
  	
   a) Monte	
   o	
   circuito,	
   inicialmente	
   com	
   Vf	
   =	
   0V.	
   Confirme	
   que	
   o	
   circuito	
   está	
   montado	
  corretamente	
  antes	
  de	
  prosseguir	
  para	
  o	
  próximo	
  item.	
  b) Variando	
  Vf,	
  obtenha	
  o	
  valor	
  da	
  corrente	
  (I)	
  para	
  diversos	
  valores	
  da	
  tensão	
  na	
  lâmpada	
  (VL),	
  preenchendo	
  a	
  tabela	
  2.	
  Proceda	
  da	
  seguinte	
  forma:	
  i) Para	
   cada	
   linha	
   da	
   tabela,	
   ajuste	
   Vf	
   de	
   forma	
   a	
   obter	
   VL	
   (medido	
   com	
   o	
   multímetro)	
  próximo	
  do	
  valor-­‐alvo	
  indicado	
  na	
  tabela;	
  ii) Meça	
  V0	
  com	
  o	
  multímetro	
  e	
  anote-­‐o	
  na	
  tabela	
  2;	
  iii) Determine	
  a	
  corrente	
  I	
  indiretamente	
  através	
  da	
  Lei	
  de	
  Ohm.	
  Utilize	
  o	
  valor	
  nominal	
  de	
  R0	
  (o	
  que	
  facilita	
  os	
  cálculos,	
  pois	
  este	
  valor	
  é	
  uma	
  potência	
  de	
  10);	
  c) Esboce	
  o	
  gráfico	
  I	
  x	
  VL	
  usando	
  os	
  valores	
  obtidos.	
  d) Considerando	
   o	
   gráfico	
   obtido,	
   você	
   afirmaria	
   que	
   a	
   resistência	
   da	
   lâmpada	
   aumenta	
   ou	
  diminui	
  com	
  o	
  aumento	
  da	
  corrente?	
  Por	
  quê?	
  	
  5) (OPCIONAL.)	
  Estime	
  qual	
  seria	
  o	
  valor	
  da	
  corrente	
  na	
  lâmpada	
  caso	
  esta	
  fosse	
  submetida	
  a	
  uma	
  tensão	
   de	
   12V.	
   (Dica:	
   determine	
   a	
   inclinação	
   da	
   curva	
   I	
   x	
   VL	
   entre	
   4V	
   e	
   8V	
   e	
   assuma	
   que	
   se	
  mantém	
  constante.)	
  	
  
	
   	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  4	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   5/6	
  
Aluno(a):	
  ______________________________________________________.	
   Turma:	
  _______________________	
  Matrícula:	
  _______________________	
  	
  Data:	
  _____/_____/__________	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Nota:	
  _________________________	
  
 
Tabela 1 
 
	
   RAB	
   RBC	
   RAC	
  
1	
   	
   	
   	
  
2	
   	
   	
   	
  
3	
   	
   	
   	
  
4	
   	
   	
   	
  
5	
   	
   	
   	
  
	
  
Questão 2 	
  	
  	
  	
  
 
Questão 2.c) RBC	
  (teórico)	
  =	
  _______________	
  	
   	
   RBC	
  (medido)	
  =	
  _______________	
  
 
Questão 3.a) 	
  	
  
 
Questão 3.b) 	
  	
  
Questão 3.d) VL	
  	
  =	
  _______________	
  
	
  
Tabela 2 	
  
	
   VL	
  (alvo)	
   V0	
  (medido)	
   I	
  =	
  V0/R0	
  
1	
   0	
  V	
   0	
  V	
   0	
  mA	
  
2	
   0,1	
  V	
   	
   	
  
3	
   0,2	
  V	
   	
   	
  
4	
   0,4	
  V	
   	
   	
  
5	
   0,6	
  V	
   	
   	
  
6	
   1,0	
  V	
   	
   	
  
7	
   1,5	
  V	
   	
   	
  
8	
   2,0	
  V	
   	
   	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  4	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   6/6	
  
9	
   3,0	
  V	
   	
   	
  
10	
   4,0	
  V	
   	
   	
  
11	
   6,0	
  V	
   	
   	
  
12	
   8,0	
  V	
   	
   	
  	
  
Questão 4.c) 
	
  
Questão 4.d) 	
  	
  	
  
 
Opcional: Questão 5) IL	
  	
  =	
  _______________	
  	
  
Questão de preparação Explique,	
  em	
  termos	
  da	
  Lei	
  de	
  Ohm,	
  o	
  que	
  acontece	
  quando	
  se	
  “curto-­‐circuita”	
  uma	
  fonte	
  de	
  tensão.	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
0	
  
10	
  
20	
  
30	
  
40	
  
50	
  
60	
  
70	
  
80	
  
0	
   1	
   2	
   3	
   4	
   5	
   6	
   7	
   8	
  
m
ili
	
  A
m
pè
re
	
  (m
A)
	
  
Volts	
  (V)