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ELETRIC ANÁL IDADE AP AT LISE D 5124 512909 512 512 512918 UNIVER ENGE PLICADA E TIVIDA DAS CO 4006 – AL 96 – GUILH 29685 – LU 27446 – VI 83 – VICTO U RSIDADE D ENHARIA E EQUIPA ADE P ORRE TURMA EXANDRE HERME D UCAS CAM ICTOR CH OR GUIMA UBERABA 2015 DE UBERA ELÉTRICA AMENTOS PRÁTIC NTES A 21 E MAGNO DE OLIVEIR MARGO S HAVES NO ARÃES SA A – MG 5 ABA A ELETROE CA 02 NAS ARAÚJO RA SANTO SAMPAIO OMINATO ALUM ZAG ELETRÔN MALH O OS GO NICOS HAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 6.1. 7. 8. 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 9. 10. 10.1 Índic Figu Introdução Objetivos _ Materiais u Cuidados Conteúdo Prática exp Descriçã Resultado Demonstra Interpret Cálculos Cálculos Cálculos Cálculos Cálculos Conclusão Referênc . Referê ce de Ima ura 1 – Circ o ________ _________ usados no iniciais ___ Teórico __ perimental ão da Expe s e discuss ação dos c tação do C s com volta s com volta s com volta s com volta s com volta o ________ cias _____ ências Bibl gens cuito elétric _________ _________ procedime _________ _________ l ________ eriência __ sões ____ cálculos __ Circuito – L agem = 2 _ agem = 4 _ agem = 6 _ agem = 8 _ agem = 10 _________ _________ liográficas co............. SUMÁ _________ _________ ento _____ _________ _________ _________ _________ _________ _________ Lei Geral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Índic Tabe Índic Gráf Gráf Gráf Gráf Gráf ce de Tab ela 1 – Res ce de Grá fico 1 – Co fico 2 – Re fico 3 – Re fico 4 – Re fico 5 – Re belas sultados P áficos omportame esistor 470 esistor 680 esistor 820 esistor 1200 Práticos ..... ento da Co Ω ............ Ω ............ Ω ............ 0 Ω .......... ................ rrente na A ................ ................ ................ ................ ................ Aplicação d ................ ................ ................ ................ ................ de Diferen ................ ................ ................ ................ ................ ntes Tensõ ................ ................ ................ ................ .............. 9 es .......... 9 ............ 10 ............ 10 ............ 11 ............ 11 9 9 0 0 4 1. Introdução Os circuitos elétricos1 são conjuntos formados por fontes, condutores2 dispostos em circuito fechado juntamente com elementos capazes de utilizar a energia produzida pela fonte. A correta associação de fontes de tensão3, de elementos resistivos4 através de condutores (fios ou placas) ligados, nos dará a base para estudarmos e analisarmos o comportamento da eletricidade nos circuitos elétricos. Em 25/02/15, no laboratório de práticas de elétrica e eletrônica sala 2H109 da Universidade de Uberaba, o professor Lincoln Gouvêa solicitou aos alunos a realização de um experimento ao qual deveriam identificar as alterações dos valores de corrente elétrica5 ao se submeter resistores a diferentes níveis de potencial elétrico6 e, com as observações, relatar os resultados e a metodologia aplicada. A existência das Leis de Kirchhoff7 para tensões e correntes, descritas mais a frente neste relatório, foram algumas das constatações observadas nessa aula experimental aos quais os alunos fizeram seus relatos que foram concentrados na descrição deste documento. 1 Circuito Elétrico é a ligação de elementos elétricos, tais como resistores, indutores, capacitores, diodos, linhas de transmissão, fontes de tensão, fontes de corrente e interruptores, de modo que formem pelo menos um caminho fechado para a corrente elétrica. 2 Condutores são materiais nos quais as cargas elétricas se deslocam de maneira relativamente livre. 3 Todo dispositivo eletroeletrônico necessita de energia elétrica para seu funcionamento. A fonte de tensão é o lugar onde tais dispositivos buscam essa energia que proporciona seu funcionamento. 4 Resistores são dispositivos elétricos muito utilizados em eletrônica, ora com a finalidade de transformar energia elétrica em energia térmica por meio do efeito joule, ora com a finalidade de limitar a corrente elétrica em um circuito. 5 Corrente elétrica é o fluxo ordenado de partículas portadoras de carga elétrica, ou também, é o deslocamento de cargas dentro de um condutor, quando existe uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades. 6 Potencial elétrico é a capacidade que um corpo energizado tem de realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas. 7 Gustav Robert Kirchhoff foi um físico alemão. Suas contribuições científicas foram principalmente no campo dos circuitos elétricos, na espectroscopia, na emissão de radiação dos corpos negros e na teoria da elasticidade. 5 2. Objetivos Demonstrar e relatar as observações ao submeter resistores dispostos em uma mesma configuração ao submetê-los a tensões diferentes utilizados através de um aparelho protoboard8. Montar e realizar a verificação experimental de um circuito com quatro malhas9 e dois pares de nós10 utilizando a análise de malhas11 e a análise nodal12. Comprovar a correspondência dos modelos teóricos estudados com a prática. 8 Uma placa de ensaio ou matriz de contato, (ou protoboard, ou breadboard em inglês) é uma placa com furos (ou orifícios) e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais. 9 Malha é qualquer caminho fechado seguido sobre ramos de um circuito. 10 Um nó é qualquer ponto do circuito em que dois ou mais terminais se liguem. Podem ser terminais de elementos de circuito como resistores, capacitores etc. ou mesmo fios de ligação. A restrição imposta é que sejam dois ou mais. 11 Análise de Malhas é a Aplicação sistemática da Lei de Kirchhoff para as Tensões – LTK 12 Análise nodal é a Aplicação sistemática da Lei de Kirchhoff para as Correntes – LCK 6 3. Materiais usados no procedimento Protoboard Datapool8860 Multímetro Minipa ET-2030-A Resistores: 470Ω, 680 Ω, 820 Ω e 1.2k Ω 4. Cuidados iniciais Os alunos se reuniram para conversar sobre os cuidados a serem observados antes do início das atividades tais como: Discutir sobre os riscos do uso da eletricidade a localização da chave geral da bancada, a integridade da fiação elétrica de alimentação do prontoboard, os materiais utilizados e a segurança do uso da tensão Vcc no protoboard. Conversar sobre como utilizar o multímetro13, o teste de funcionamento, as faixas de uso, e, a troca dos cabos ao alterar entre corrente e tensão. Além de se discutir sobre o uso do aparelho em série para medir correntes e em paralelo para se medir tensões. Foi discutido o funcionamento geral do protoboard (em anexo), tais como disposição dos elementos, o potenciômetro, os bornes da fonte de tensão e os pinos entre as linhas e colunas. 5. Conteúdo Teórico A análise de malha usa a Lei de Kirchhoff para Tensões – LKT descrita na equação (I) para determinar as correntes do circuito: 1 = 0 (I) M k k i Uma vez que as correntes sejam conhecidas, a lei de Ohm pode ser usada para calcular as tensões. Se o circuito possui N malhas independentes deve-se ter N equações independentes simultâneas necessárias para descrever o circuito. 13 Um multímetro ou multiteste é um aparelho destinado a medir e avaliar grandezas elétricas. Existem modelos com mostrador analógico (de ponteiro) e modelos com mostrador digital. equa para equa 6. P mult conf A anális ação (II) pa Uma ve a calcular a ações inde Prática Com a tímetro, e r forme circu se de malh ara determ ez que as as corrente ependentes experim utilização resistores d uito propos Figura 1 – ha usa a L minar as ten tensões s es. Se o c s simultâne mental de um m de 470Ω, 6 sto no rotei Circuito elét Lei de Kirc nsões do c 1 = N k k v sejam con circuito pos eas necess módulo de 680 Ω, 820 iro (Figura trico chhoff para circuito: = 0 (II) hecidas, a ssui N nós sárias para e eletrônic 0 Ω e 1.2k 1). a Correntes a lei de O s independ a descreve a básica k Ω, aos qu s – LKC d hm pode dentes dev er o circuito Datapool uais foram 7 descrita na ser usada ve-se ter N o. 8860, um montados 7 a a N m s 8 6.1. Descrição da Experiência Identificado os resistores conforme o código internacional de cores14. Verificado o funcionamento do multímetro. Verificado se a bancada e o prontoboard estavam em funcionamento. Montado o circuito no protoboard conforme diagrama15. Realizado o ajuste da tensão da fonte Vcc para 2, 4, 6, 8 ou 10 conforme momento do experimento usando o voltímetro. Feita a medição dos valores das correntes para cada resistor. Realizada a anotação dos valores e dos relatos das observações. 7. Resultados e discussões Conforme previsto pelo roteiro, inicialmente se fixou uma tensão para medir cada grupo de resistores e, após o teste de cada resistor, era realizada a alteração da tensão para este novo grupo, sendo então anotados os respectivos valores de corrente encontradas. No uso do multímetro a tensão na fonte foi medida em paralelo, enquanto que, nos resistores, a corrente foi em série, e, para este caso, era então necessário retirar uma perna, do resistor, de seu borne original para efetuar a medição retornando ao local para medir outro e reiniciar o processo. Uma constatação discutida foi que o processo de execução era praticamente o mesmo para todos os resistores e que, a cada repetição de medição de corrente na mesma malha, houve resultados similares. 14 O código de cores é a convenção utilizada para identificação de resistores de uso geral. Compreende as séries E6, E12 e E24 da norma internacional IEC. 15 Diagrama elétrico é o uso de símbolos gráficos para representar uma instalação elétrica ou parte de uma instalação 9 Na Tabela 1, abaixo indicada, foram anotados os resultados comprovados na experiência prática: V1 (Volts) R1 R2 R3 R4 I (mA) I (mA) I (mA) I (mA) 0 0 0 0 0 2 0,83 2,60 0,99 0,58 4 1,78 4,90 2,15 1,23 6 2,70 7,72 3,26 1,87 8 3,53 10,28 4,24 2,31 10 4,36 12,93 5,03 2,88 Tabela 1 – Resultados Práticos Os dados da Tabela 1 foram disponibilizados no Gráfico 1 – Comportamento da Corrente na Aplicação de Diferentes Tensões abaixo e proporcionam uma melhor visualização do comportamento da corrente em cada resistor de acordo com as diferentes tensões aplicadas. Gráfico 1 – Comportamento da Corrente na Aplicação de Diferentes Tensões 0 2 4 6 8 10 12 14 R1 (470) R2 (680) R3 (820) R4 (1200) Co rr en te M ed id a Comportamento da Corrente na aplicação de diferentes Tensões 0V 2V 4V 6V 8V 10V 10 Para uma melhor análise e abordagem fizemos o cálculo teórico dos valores do circuito, e colocamos os dados de ambas em um gráfico comparativo (tensão x corrente), para cada resistência (470Ω, 680 Ω, 820 Ω e 1.2k Ω). Gráfico 2 – Resistor 470 Ω Gráfico 3 – Resistor 680 Ω 0 0,83 1,78 2,7 3,53 4,36 0 0,92 1,83 2,75 3,67 4,59 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0V 2V 4V 6V 8V 10V Co rr en te (A ) Tensão (V) Tensão X Corrente (Resistor 470Ω) Prático Teórico 0 2,6 4,9 7,72 10,28 12,93 0 2,65 5,31 7,95 10,6 13,26 0 2 4 6 8 10 12 14 0V 2V 4V 6V 8V 10V Co rr en te (A ) Tensão (V) Tensão X Corrente (Resistor 680Ω) Prático Teórico 11 Gráfico 4 – Resistor 820 Ω Gráfico 5 – Resistor 1200 Ω 0 0,99 2,15 3,26 4,24 5,03 0 1,10 2,23 3,32 4,42 5,54 0 1 2 3 4 5 6 0V 2V 4V 6V 8V 10V Co rr en te (A ) Tensão (V) Tensão X Corrente (Resistor 820Ω) Prático Teórico 0 0,58 1,23 1,87 2,31 2,88 0 0,628 1,25 1,88 2,31 3,13 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0V 2V 4V 6V 8V 10V Co rr en te (A ) Tensão (V) Tensão X Corrente (Resistor 1200Ω) Prático Teórico 12 8. Demonstração dos cálculos 8.1. Interpretação do Circuito – Lei Geral ܧ െ 820ܫଵ െ 470ܫଵ 470ܫଶ ൌ 0 ∴ ࡵ → െૢࡵ ૠࡵ ൌ ࡱ ܧ െ 470ܫଶ 470ܫଵ െ 680ܫଶ 680ܫଷ ൌ 0 ∴ ࡵࡵ → ૠࡵ െ ࡵ ૡࡵ ൌ െࡱ െ1200ܫଶ െ 680ܫଷ 680ܫଶ ൌ 0 ∴ ࡵࡵࡵ → ૡࡵ െ ૡૡࡵ ൌ 8.2. Cálculos com voltagem = 2 ܫଵ ൌ อ 2 470 0 െ2 െ1150 680 0 680 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫଵ ൌ 1632000െ1777192000 → ࡵ ൌ െ, ૢૡ ܫܫ ൌ อ െ1290 2 0 470 െ2 680 0 0 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫܫ ൌ െ3083200െ1777192000 → ܫܫ ൌ 1,734 ݉ܣ ܫସ ൌ อ െ1290 470 2 470 െ1150 െ2 0 680 0 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫସ ൌ െ1115200െ1777192000 → ࡵ ൌ , ૡ ܫଶ ൌ ܫଵ ܫܫ → ࡵ ൌ , ૡ 13 ܫଷ ൌ ܫܫ െ ܫସ → ࡵ ൌ , 8.3. Cálculos com voltagem = 4 ܫଵ ൌ อ 4 470 0 െ4 െ1150 680 0 680 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫଵ ൌ 3264000െ1777192000 → ࡵ ൌ െ, ૡ ܫܫ ൌ อ െ1290 4 0 470 െ4 680 0 0 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫܫ ൌ െ6166400െ1777192000 → ܫܫ ൌ 3,48 ݉ܣ ܫସ ൌ อ െ1290 470 4 470 െ1150െ4 0 680 0 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫସ ൌ െ1278400െ1777192000 → ࡵ ൌ , ૡ ܫଶ ൌ ܫଵ ܫܫ → ࡵ ൌ , ܫଷ ൌ ܫܫ െ ܫସ → ࡵ ൌ , 8.4. Cálculos com voltagem = 6 ܫଵ ൌ อ 6 470 0 െ6 െ1150 680 0 680 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫଵ ൌ 4896000െ1777192000 → ࡵ ൌ െ, ૠ 14 ܫܫ ൌ อ െ1290 6 0 470 െ6 680 0 0 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫܫ ൌ െ9249600െ1777192000 → ܫܫ ൌ 5,20 ݉ܣ ܫସ ൌ อ െ1290 470 6 470 െ1150 െ6 0 680 0 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫସ ൌ െ3345600െ1777192000 → ࡵ ൌ , ૡૡ ܫଶ ൌ ܫଵ ܫܫ → ࡵ ൌ ૠ, ૢ ܫଷ ൌ ܫܫ െ ܫସ → ࡵ ൌ , 8.5. Cálculos com voltagem = 8 ܫଵ ൌ อ 8 470 0 െ8 െ1150 680 0 680 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫଵ ൌ 6528000െ1777192000 → ࡵ ൌ െ, ૠ ܫܫ ൌ อ െ1290 8 0 470 െ8 680 0 0 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫܫ ൌ െ12332800െ1777192000 → ܫܫ ൌ 6,93 ݉ܣ ܫସ ൌ อ െ1290 470 8 470 െ1150 െ8 0 680 0 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫସ ൌ െ4460800െ1777192000 → ࡵ ൌ , 15 ܫଶ ൌ ܫଵ ܫܫ → ࡵ ൌ , ܫଷ ൌ ܫܫ െ ܫସ → ࡵ ൌ , 8.6. Cálculos com voltagem = 10 ܫଵ ൌ อ 10 470 0 െ10 െ1150 680 0 680 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫଵ ൌ 8160000െ1777192000 → ࡵ ൌ െ, ૢ ܫܫ ൌ อ െ1290 10 0 470 െ10 680 0 0 െ1880 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫܫ ൌ െ15416000െ1777192000 → ܫܫ ൌ 8,67 ݉ܣ ܫସ ൌ อ െ1290 470 10 470 െ1150 െ10 0 680 0 อ อ െ1290 470 0 470 െ1150 680 0 680 െ1880 อ ∴ ܫସ ൌ െ5576000െ1777192000 → ܫସ ൌ , ܫଶ ൌ ܫଵ ܫܫ → ࡵ ൌ , ܫଷ ൌ ܫܫ െ ܫସ → ࡵ ൌ , 16 9. Conclusão Com base no experimento realizado no laboratório prático e comparando os valores obtidos dos mesmos com valores calculados a partir das Leis das Correntes e Tensões de Kirchhoff, concluímos que há uma variação nos valores das correntes elétricas, entre medidas e calculadas e, que, apesar de encontrarmos valores próximos, as diferenças podem se dar por vários motivos, tais como a condição dos resistores analisados, a precisão do multiteste, mau contato entre as pontas dos multímetros com os circuitos, entre outros. 17 10. Referências 10.1. Referências Bibliográficas WIKIPEDIA, Circuito Elétrico, http://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_elétrico, Acesso em fev/2015 WIKIPEDIA, Condutores, http://pt.wikipedia.org/wiki/Condutor, Acesso em fev/2015 WIKIPEDIA, Fonte de Tensão, http://pt.wikipedia.org/wiki/Fonte_de_Tensão, Acesso em fev/2015 WIKIPEDIA, Resisitor, http://pt.wikipedia.org/wiki/Resistor, Acesso em fev/2015 WIKIPEDIA, Corrente Elétrica, http://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_elétrica, Acesso em fev/2015 WIKIPEDIA, Potencial Elétrico, http://pt.wikipedia.org/wiki/Potencial_elétrico, Acesso em fev/2015 WIKIPEDIA, Multímetro, http://pt.wikipedia.org/wiki/Multímetro, Acesso em fev/2015 WIKIPEDIA, Gustav Kirchhoff, http://pt.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff, Acesso em mar/2015 PUCPR, Programa de Pós Graduação em Informática http://www.ppgia.pucpr.br/~alekoe/CIR/2012-1/4-MetodosAnalise-CIR.pdf, Acesso em fev/2015 CALAZANS, Ney Laerte Vilar, Personal Home Page – PUCRS, https://www.inf.pucrs.br/calazans/undergrad/laborg/cod_cores_res.html, Acesso em fev/2015 MUNDO DA ELÉTRICA, Diagrama elétrico, http://www.mundodaeletrica.com.br/diagramas-eletricos/, Acesso em fev/2015
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