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1 Professor: Mauro G. Rodbard Quarta-feira, 07h30min Equipe: 5 Elementos Ôhmicos e não-Ôhmicos G. R. Machado, J. Z. Rodrigues, M. V. Rheinheimer Universidade Federal do Paraná Centro Politécnico – Jardim das Américas – 81531-980 – Curitiba – PR - Brasil e-mail: gustavo.rossetim@ufpr.br Resumo: Os experimentos executados tiveram por fim estudar a relação entre diferença de potencial, intensidade de corrente e resistência elétrica para três diferentes equipamentos: resistor, diodo e lâmpada. As análises sobre os dados obtidos permitiram categorizar os equipamentos em elementos que seguem a Lei de Ohm, sendo denominados elementos ôhmicos, e elementos que não seguem a lei, sendo assim não-ôhmicos. As análises e estudos também permitiram apontar as razões físicas e conclusões dos comportamentos ôhmico do resistor e não-ôhmicos da lâmpada e do diodo. Palavras chave: lei de Ohm, elementos ôhmicos, elementos não-ôhmicos. Introdução Ao aplicarmos em um dispositivo uma diferença de potencial V, surge uma corrente elétrica I devido ao movimento dos portadores de carga, elétrons, me- dida pela Lei de Ohm (equação 01). A oposição ao fluxo da corrente é denominada de resistência elé- trica R. A Lei de Ohm é uma equação matemática, na qual a intensidade de corrente é proporcional a variação da diferença de potencial, e a constante de proporci- onalidade é o inverso da resistência elétrica. I = ( 1 𝑅 ).V (1) A unidade de resistência no SI é volt por ampère, nomeada de ohm em homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm (1789-1854) [1]. R[Ω]=V[V]I [A] Para dispositivos que obedecem essa lei o gráfico corrente-voltagem é linear, coincidindo com a bisse- triz dos quadrantes ímpares. No entanto, existem muitos dispositivos para os quais essa lei não é vá- lida, esses são denominados elementos não ôhmicos - em contraposição aos ôhmicos, que seguem a Lei de Ohm. Nesses casos o gráfico IxV é não linear. Vale acrescentar que para a maioria dos materiais, seja o dispositivo ôhmico ou não ôhmico, essa rela- ção depende da temperatura. A resistência ao movi- mento de deriva ocorre quando os elétrons interagem com átomos do metal dispostos em rede. Quando a temperatura do metal aumenta, o movimento dos átomos da rede aumenta. Isso, por sua vez, aumenta a maior probabilidade de que os elétrons interajam com os átomos, o que efetivamente aumenta a resis- tência do material. [1] Um exemplo de dispositivo eletrônico que não obedece a Lei de Ohm é o diodo, projetado para con- duzir corrente somente em um sentido, ou seja im- pede o fluxo de corrente quando a polaridade da fonte é invertida. Para esse equipamento existe uma tensão de condução, na qual passa de isolante para condutor. Esse dispositivo é muito utilizado para converter corrente alternada em contínua. O trabalho necessário para a fonte de fem deslocar uma quantidade de carga infinitesimal, dq, desde o terminal negativo da bateria até seu terminal positivo é igual ao aumento de energia potencial elétrica da cragar, dU [1]. Considerando a definição de corrente, i = dq/dt, e de potência, P = dU/dt, podemos rees- crever a expressão da energia potencial : dU=dq.ΔV=i.dt.ΔV P=i.ΔV (2) As cargas circulantes cedem energia aos átomos do resistor e quando colidem com eles a temperatura do resistor aumenta, a menos que haja um fluxo de calor para fora do mesmo. Diz-se que a energia é dis- sipada no resistor a taxa de I2. R [2]. Todos os corpos que sofrem aquecimento emitem radiação eletromagnética em um contínuo espectro de frequências, em que caso essa temperatura seja consideravelmente alta, o corpo passa a emitir luz no espectro visível. Esse efeito é observado, por exem- plo, em um filamento de tungstênio oxidado de uma lâmpada pelo qual pode-se variar a intensidade da corrente elétrica como realizado no experimento [3]. Com isso podemos observar que a emissividade de radiação dos corpos aumenta conforme a tempe- ratura do corpo (T) aumenta e que também é fruto de diferentes comprimentos de onda (λ). Portanto, de forma geral, pode-se dizer que quando um corpo está a uma certa temperatura, existe uma função ɛ (λ, T) que pode descrever sua emissividade. Essa função emissividade também pode ser chamada de emissão espectral e está compreendida entre valores de 0 (que representa um perfeito refletor) e 1 (um corpo negro ideal) [4]. Josef Stefan em 1879, a partir de resultados expe- rimentais de John Tyndall publicados em 1864, con- cluiu que a energia total emitida por um corpo é pro- porcional a quarta potência da temperatura absoluta, o que foi demonstrado rigorosamente em 1884 por 2 Ludwig Boltzmann, utilizando-se da teoria eletro- magnética de James C. Maxwell e considerando a ra- diação como uma máquina térmica [5]. Unindo os conceitos desenvolvidos por Stefan e Boltzmann, pode-se dizer que a potência emitida por um corpo qualquer a uma temperatura qualquer é dado por: 𝑃 = 𝜀. 𝜎. 𝐴(𝑇4 − 𝑇0 4) (3) Onde 𝜎 =5,6704 x 10-8 W/m2.K-4 é a constante de Stefan-Boltzmann, T0 é a temperatura ambiente e A é a área de radiação do corpo. Procedimento Experimental O experimento realizado em laboratório se dividiu em três etapas com procedimentos semelhantes para coleta de parâmetros de três circuitos com diferentes equipamentos: resistor, diodo e lâmpada incandescente. Em todas etapas foi montado um circuito fechado composto de uma fonte fornecedora de força eletromotriz, um multímetro ligado na função de voltímetro, na escala de 1000V em corrente contínua, posicionado em paralelo ao equipamento a ser estudado e um multímetro ligado na função amperímetro, na escala de 2 A, posicionado em série com o circuito. Dessa forma, o voltímetro irá medir a diferença de potencial associada ao equipamento enquanto a corrente que o atravessa é medida pelo amperímetro. Os circuitos são esquematizados na figura : Um cuidado a ser tomado durante a montagem do circuito é de garantir que o voltímetro e o amperímetro possuem a polaridade no mesmo sentido que a fonte, ou seja, que as pontas de prova vermelhas estejam orientadas para o pólo positivo da fonte enquanto as pontas de prova pretas estejam orientadas para o pólo negativo da fonte. Dessa forma os sinais dos dados recolhidos serão corretos para o sentido da corrente. Além disso, para garantir que os dados possuíssem a melhor precisão experimental possível, a escala dos multímetros foi ajustada até se obter uma leitura com maior quantidade de algarismos significativos. Para o primeiro procedimento experimental foi analisado um resistor de resistência nominal de 1kΩ, (A) (B) (C) Fig 1 - Esquemas experimentais para os circuitos de: (A) resistor, (B) diodo, (C) lâmpada incandescente. o qual teve sua resistência real previamente medida em um multímetro ligado na função ohmímetro. Após ser posicionado em paralelo ao voltímetro, esquematizado na figura 2A, a fonte foi ligada fornecendo diferenças de potencial de 1 até 10 volts, variando em 1 volt a cada medida. Os valores das diferenças de potencial e intensidade da corrente medidas nos multímetros foram anotados em uma tabela com seus respectivos valores e unidades para cada valor de diferença de potencial fornecida pela fonte. Ainda com o resistor ligado ao circuito, os pólos da fonte foram invertidos e as mesmas medidas foram realizadas, verificandoassim o comportamento do resistor com a corrente em outro sentido. Para o segundo procedimento experimental foi analisado um diodo, no qual foi lida a polaridade em um multímetro ligado na função diodo. Encaixando- o no multímetro nas duas posições possíveis, aquela que apresentou um valor numérico diferente de 1 é a orientação na qual o diodo permite a passagem de corrente. Após isso, o diodo foi posicionado em paralelo ao voltímetro enquanto um resistor de 1kΩ foi posicionado em série para evitar que o diodo queimasse, esquematizado na figura 2B. A fonte foi ligada fornecendo diferenças de potencial de 0 a 1, variando em 0,1 volt a cada medida, e de 1 a 10, variando em 1 volt a cada medida. Os valores das diferenças de potencial e intensidade da corrente medidas nos multímetros foram anotados em uma tabela com seus respectivos valores e unidades. Ainda com o diodo ligado ao circuito, os pólos da fonte foram invertidos e as mesmas medidas foram realizadas, verificando assim o comportamento do diodo com a corrente em outro sentido. Por fim, o diodo foi retirado do circuito ainda ligado à fonte e a corrente medida no amperímetro foi analisada. Para o terceiro procedimento experimental foi analisada uma lâmpada incandescente, a qual teve sua resistência elétrica medida por um ohmímetro. A sistemática utilizada para efetuar as medidas necessárias ao estudo foram as mesmas do que as do procedimento de análise do resistor, com a mudança de que as diferenças de potencial fornecidas ao circuito variaram de 0 a 30. O esquema do circuito é representado na figura 2C. Dados, Análise e Resultados Para a primeira etapa, montando o circuito de acordo com o esquema apresentando e executando as esquemáticas conforme os procedimentos experimentais, os dados da tabela 1 foram coletados para as diferentes tensões cedidas pela fonte. Com os valores da tabela 01, pode-se representar dois gráficos para a análise, sendo que o gráfico da figura 2 apresenta a relação da intensidade de corrente versus diferença de potencial no resistor. 3 Tabela 1: Intensidade de corrente e diferença de potencial no resistor Analisando o gráfico, é possível perceber o comportamento linear da relação entre intensidade de corrente e diferença de potencial. Realizando a manipulação da equação (1), temos que a intensidade da corrente é dada pela seguinte fórmula: 𝑖 = 𝑉𝑟/𝑅 Portanto, utilizando o método dos mínimos quadráticos para obter a melhor reta dos dados, encontra-se um coeficiente angular que é equivalente a 1/R, sob análise da equação acima, enquanto o coeficiente linear não possui significado físico, representando somente os erros relacionados à medida experimental. Fig. 2: Gráfico da corrente elétrica versus a tensão no resistor Fig. 3: Gráfico da resistência elétrica versus a tensão no resistor A equação ajustada será: 𝑖(𝑉𝑟) = Vr. 0,001023647 ( 1 Ohm ) + 0,00001446 Substituindo o valor do coeficiente angular na relação (coef. Ang.) = 1/R, encontra-se o valor experimental da resistência do resistor 𝑅𝑒𝑥𝑝 = 976,899Ω Comparando o valor obtido experimentalmente com o valor nominal de 1k Ω do resistor, é possível encontrar um erro relativo de 2,3%. Já o gráfico da figura 3 relaciona a resistência do resistor calculada para cada ponto versus a tensão medida no resistor. Por meio desse gráfico pode-se concluir que independente dos valores de diferença de potencial que estejam passando pelo resistor, o valor de sua resistência R permanece constante. Ou seja, o resistor possui comportamento de um elemento ôhmico, isto é, a relação entre suas grandezas físicas é explicada pela lei de ohm. Já com relação ao sentido da corrente elétrica, não há nenhuma alteração no comportamento do resistor a mudança do sentido da corrente elétrica pois o sentido do seu fluxo é apenas convencionado. Ou seja, caso ocorra a alteração no sentido da corrente elétrica apenas haverá juntamente uma inversão no sinal da diferença de potencial pelo resistor. Para a segunda etapa, montando o circuito de acordo com o esquema apresentando e executando as esquemáticas conforme os procedimentos experimentais, os dados da tabela 2 foram coletados para as diferentes tensões cedidas pela fonte. Utilizando o programa SciDAVIs, foi possível construir o gráfico da corrente em função da tensão para o diodo, representado na figura 4. Nota-se que para as medidas de tensão da fonte positivas até aproximadamente 0,4V não há passagem de corrente. Isso se deve ao fato de que o diodo possui uma diferença de potencial inerte ao equipamento, sendo que somente a valores maiores de diferença de potencial ele atua como condutor, permitindo a corrente. Já para medidas positivas da tensão da fonte, para valores maiores que 0,4V temos um aumento expressivo da corrente, evidenciando o caráter não-ôhmico do diodo: há diminuição da resistência com o aumento da tensão. Pode-se dizer Diferença de potencial na fonte (V) Intensidade de corrente no resistor (A) Diferença de potencial no resistor (V) 0 0 0,000 0,000 -0,0011 -0,0021 -0,0032 -0,0042 -0,0053 -0,0064 -0,0074 -0,0085 -0,0095 -0,0107 0,027 -0,02 1 -1 0,001 1,048 -1,11 2 -2 0,0021 2,09 -2,08 3 4 5 6 7 8 9 10 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 0,0032 0,0042 0,0053 0,0063 0,0074 0,0084 0,0095 0,0106 3,14 4,20 5,21 6,20 7,27 8,25 9,26 10,35 -3,12 -4,15 -5,21 -6,25 -7,20 -8,30 -9,27 -10,35 4 Tabela 2: Intensidade de corrente e diferença de potencial no resistor que o sistema equivalente ao diodo seria uma chave, na qual quando ligada transmite a corrente, caso contrário, não. Analisando o gráfico da figura 6, é possível perceber que não há uma relação linear entre a corrente e a tensão, sendo assim o diodo pode ser caracterizado como um elemento não ôhmico, fato Fig. 4: Gráfico da corrente elétrica versus a tensão no diodo Fig. 5: Gráfico da corrente elétrica versus a tensão negativa no diodo confirmado quando a Lei de Ohm é aplicada: sendo assim o diodo pode ser caracterizado como um elemento não ôhmico, fato confirmado quando a Lei de Ohm é aplicada: não é possível associar os dados de forma a obter um coeficiente angular constante. Plotando o gráfico da resistência do diodo em função da tensão, apresentado na figura 5, também é possível observar que a resistência não é constante. Além disso, analisando o gráfico de tensão negativa aplicada sobre o diodo, representado na figura 5, é possível perceber que há uma relação linear entre os pontos a partir de 5V, sendo que anterior a isso o amperímetro não possuía precisão necessária para realizar as medidas. A linearidade apresentada se deve ao fato de que a corrente medida é a corrente que passa pelo voltímetro, que é um elemento ôhmico de resistência muito elevada, já que o diodo bloqueia a passagem de corrente. O mesmo raciocínio é valido para quando se tira o diodo do circuito, pois a corrente ainda passa pelovoltímetro. Fig. 6: Gráfico monolog da resistência elétrica versus a tensão no diodo Diferença de potencial na fonte (V) Intensidade de corrente no resistor (A) Diferença de potencial no resistor (V) 0 0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 -5e-08 -6e-08 -7e-08 -7e-08 -9e-08 -1e-07 0,027 -0,027 0,1 -1 0,000 0,148 -1,078 0,2 -2 0,000 0,229 -2,1 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 0,000 1e-05 3e-05 9e-05 2,1e-04 3,2e-04 3,8e-04 5,3e-04 0,0015 0,0025 0,0035 0,0046 0,0056 0,0067 0,0077 0,0088 0,0099 0,333 0,476 0,515 0,544 0,569 0,583 0,588 0,600 0,638 0,658 0,671 0,681 0,689 0,695 0,701 0,706 0,711 -3,1 -4,16 -5,14 -6,18 -7,22 -8,24 -9,25 -10,31 5 Tabela 3: Intensidade de corrente e diferença de potencial na lâmpada Para a terceira etapa, montando o circuito de acordo com o esquema apresentando e executando as esquemáticas conforme os procedimentos experimentais, os dados da tabela 3 foram coletados para as diferentes tensões cedidas pela fonte. Utilizando o programa SciDAVIs, foi possível construir o gráfico da corrente em função da tensão para a lâmpada, representado na figura 7. Analisando o gráfico é possível perceber que este possui formato de raiz cúbica, o que indica que a relação V/i para a lâmpada não é constante. Por conta disso, a lâmpada não pode ser considerada um elemento ôhmico, já que sua resistência não é constante para exposição a diferentes valores de tensão. Com os dados da tabela 3 foram calculados os valores da resistência elétrica da lâmpada através da equação 1, isolando-se R na equação. Com os valores calculados, foi construído o gráfico representado na figura 8 da resistência pela diferença de potencial na lâmpada. Analisando o gráfico, é evidenciado o caráter não-ôhmico da lâmpada: há elevação da resistência com o aumento da tensão. Isso se deve ao fato de que Fig. 7: Gráfico da corrente elétrica versus a tensão na lâmpada Fig. 8: Gráfico monolog da resistência elétrica versus a tensão no diodo a temperatura do filamento se eleva por conta da passagem de corrente elétrica, devido à dissipação de energia relacionada à resistência. Com o aumento de tensão, maior é a corrente e consequentemente maior é a temperatura do filamento, resultando assim em um aumento da resistência elétrica. Com os dados de resistência e corrente elétricas é possível encontrar a temperatura do filamento através da equação (3), onde a potência de radiação do filamento é igual à potência dissipada na resistência, calculada pela equação (2). Além disso, a emissividade do tungstênio oxidado é de 0.259 [6]. Feitos os cálculos da temperatura de cada ponto para seus respectivos valores de resistência e intensidade de corrente, o gráfico representado na figura 9 foi construído. Analisando o gráfico, é possível perceber que a variação da temperatura é maior a baixas tensões sobre o filamento do que a altas. Isso se deve ao fato da resistência apresentar o mesmo caráter de menor variação a altas tensões, o que influencia consequentemente na potência dissipada. Diferença de potencial na fonte (V) Intensidade de corrente na lâmpada (A) Diferença de potencial na lâmpada (V) 0 0 0,0008 -0,0008 -0,0284 -0,0484 -0,0638 -0,0736 -0,0809 -0,0874 -0,1006 -0,1103 -0,1190 -0,1274 -0,1355 -0,1431 -0,1508 -0,1580 0,026 -0,025 1 -1 0,0291 1,059 -0,987 2 -2 0,0512 2,02 -1,95 3 4 5 6 9 12 15 18 21 24 27 30 -3 -4 -5 -6 -9 -12 -15 -18 -21 -24 -27 -30 0,0648 0,0747 0,082 0,0879 0,1011 0,1108 0,1196 0,1277 0,1357 0,1433 0,1508 0,1580 3,03 4,05 5,03 6,05 9,15 12,18 15,21 18,32 21,8 24,3 27,3 30,4 -3,03 -3,98 -4,93 -6,01 -9,06 -12,05 -15,10 -18,15 -21,2 -24,2 -27,3 -30,3 6 Fig. 9: Gráfico da temperatura versus a tensão na lâmpada Conclusão O experimento teve como principal objetivo classificar em ôhmicos e não ôhmicos três elementos previamente selecionados, o resistor, o diodo e a lâmpada incandescente. Após os experimentos, no qual aplicavam-se diversas tensões em elementos diferentes e verificava-se como se dava a variação da corrente, os elementos foram classificados como ôhmico o resistor, e não ôhmicos a lâmpada incandescente e o diodo. Para realizar a categorização, foi avaliado o comportamento da resistência do material em função da variação da diferença de potencial. Percebeu-se que a resistência pode ser uniforme, crescente e decrescente em função da tensão aplicada. Para o caso do diodo, por exemplo, conclui-se que o resistor posicionado em série se deve ao fato de que a resistência do diodo é muito baixa para tensões elevadas, o que causaria com que a corrente que passa através dele se tornasse muito elevada para altas tensões, causando assim um possível curto circuito ou queima do equipamento. Por conta disso, é importante que se conheça o comportamento não- ôhmico dos equipamentos. Para o caso da lâmpada, entretanto, é vantajoso que se comporte como um elemento não ôhmico pois é justamente essa qualidade que a torna possível utilizar para iluminar: o aumento da resistência eleva a temperatura da lâmpada, o que consequentemente permite que ela emita ondas de luz visível, clareando as redondezas. Já elementos ôhmicos permitem um melhor controle dos parâmetros de um sistema circuitado, pois evitam a necessidade de estudar detalhadamente a variação da resistência em função da tensão aplicada. Referências [1] BAUER, WESTFALL & DIAS. Física para Universitários: Eletricidade e magnetismo. AMGH, 2012. [2] SEARS, ZEMANSKY & YOUNG. Física, vol 3. LTC, 1984. [3] GUIMARÃES, Paulo Sérgio. Radiação de Corpo Negro. Revista Brasileira de Ensino de Física, Santa Maria/rs, v. 21, n. 2, p.291-297, 3 jun. 1998. Anual. Disponível em: <http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/v21_291.pdf>. Acesso em: 27 nov. 2017. [4] CAVALCANTE, Marisa Almeida; HAAG, Rafael. 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