relatório lei de ohm

Prévia do material em texto

ENGENHARIA CIVIL 2013/4ª FASE
FÍSICA EXPERIMENTAL:
ELEMENTOS ÔHMICOS E NÃO ÔHMICOS
Professor: Robson Cavalcante
Alunos: Heliezer Cataneo de Bem
201301896608
Leandro dos Santos Silveira
201301280488
Luana Laura Teixeira da Silveira
201301197491
Marcelo Andreos Francês
201301197262
Valdinei Messagi
201301196487
SÃO JOSÉ, OUTUBRO 2014
SUMÁRIO
OBJETIVO................................................................................................3
TEORIA.....................................................................................................4
MATERIAL NECESSÁRIO........................................................................9
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .....................................................10
GRÁFICOS.............................................................................................11
DISCUSSÕES (CONTINUIDADE DO EXPERIMENTO)........................15
CONCLUSÕES.......................................................................................17
REFERÊNCIAS.......................................................................................18
OBJETIVO
Observar, usando circuitos simples, o comportamento de dispositivos de resistência constante e/ou variável, e verificar o comportamento do diodo semicondutor.
TEORIA	
A Lei de Ohm estabelece que quando se aplica uma diferença de potencial elétrico (ddp) em um condutor, uma corrente elétrica passa a percorrê-lo. Nos metais e em alguns outros materiais a intensidade da corrente elétrica que percorre um condutor é diretamente proporcional à ddp entre seus terminais (TIPLER; MOSCA, 2009).
Sejam V1, V2, V3, ......,VN as ddps entre os terminais de um condutor e i1, i2, i3, .....,iN as correntes correspondentes, pode-se concluir que:
Os condutores que se comportam dessa forma são denominados ôhmicos. Se a temperatura for constante num determinado intervalo a ddp e a intensidade da corrente serão proporcionais, gerando assim uma função linear do tipo, y = ax + b. O gráfico 01, na página "Interpretação gráfica", representa uma função linear, indicando que o condutor é ôhmico (HALLIDAY et al., 1996; TIPLER; MOSCA, 2009)
Interpretação gráfica
O gráfico abaixo ilustra a Lei de Ohm, a qual é representa por uma função linear no eixo cartesiano V(V) x i(A), ou seja, no eixo das abcissas, está representada a diferença de potencial V(V) e, no eixo das coordenadas, está representada a corrente i(A).
A equação da reta é definida como: y = ax + b, onde: b = parâmetro linear = V0 ; e a = parâmetro angular = , que, neste caso, nos fornece o valor da resistência (R).
O valor da resistência é calculado por meio do gráfico 01, da seguinte forma:
SEMICONDUTORES
Os semicondutores têm tido um impacto incrível em nossa sociedade. Eles são encontrados nos chips de microprocessadores e em transistores. Tudo que é computadorizado ou que utiliza ondas de rádio depende de semicondutores. 
Atualmente, a maioria dos chips semicondutores e transistores é produzida com sílicio. Você já deve ter ouvido expressões como "Vale do Silício" e "economia do silício", exatamente por isso o silício é o coração de qualquer aparelho eletrônico. 
O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível e, por isso, um excelente ponto de partida para entender como funcionam os semicondutores. Neste artigo, você aprenderá o que é um semicondutor, como funciona a dopagem e como um diodo pode ser criado utilizando semicondutores. 
O silício é um elemento muito comum: ele é o principal elemento na areia e no quartzo, por exemplo. Se você procurar "silício" na tabela periódica , verá que ele está ao lado do alumínio, abaixo do carbono e sobre o germânio. 
O carbono, o silício e o germânio (que assim como o silício, também é um semicondutor) possuem uma propriedade única em sua estrutura de elétrons, cada um possui quatro elétrons em sua órbita mais externa. Isso permite que eles formem bons cristais. Os quatro elétrons formam ligações covalentes perfeitas com quatro átomos vizinhos, criando uma reticulado. No carbono, conhecemos a forma cristalina como diamante. No silício, a forma cristalina é uma substância metálica prateada. 
	 
Em um reticulado de silício, todos os átomos do silício ligam-se perfeitamente a quatro vizinhos, não deixando nenhum elétron livre para conduzir a corrente elétrica. Isso torna um cristal de silício isolante, ao invés de condutor
	
Metais tendem a ser bons condutores de eletricidade, já que normalmente possuem "elétrons livres", que conseguem se mover facilmente entre os átomos e a eletricidade envolve o fluxo de elétrons. Apesar de os cristais de silício terem aparência metálica, não são, de fato, metálicos. Todos os elétrons externos em um cristal de silício estão envolvidos em ligações covalentes perfeitas, de forma que não podem se mover entre os átomos. Um cristal de silício puro é praticamente um isolante, muito pouca eletricidade passa por ele. 
É possível alterar o comportamento do silício e transformá-lo em um condutor dopando-o. Na dopagem, mistura-se uma pequena quantidade de impurezas a um cristal de silício. 
Existem dois tipos de impurezas: 
Tipo N - Na dopagem tipo N, o fósforo ou o arsênico é adicionado ao silício em pequenas quantidades. O fósforo e o arsênico possuem cinco elétrons externos cada um, de forma que ficam fora de posição quando entram no reticulado de silício. O quinto elétron não tem a que se ligar, ganhando liberdade de movimento. Apenas uma pequena quantidade de impurezas é necessária para criar elétrons livres o suficiente para permitir que uma corrente elétrica flua pelo silício. O silício tipo N é um bom condutor. Os elétrons possuem uma carga negativa, daí o nome tipo N. 
Tipo P - Na dopagem tipo P, o boro ou o gálio é o dopante. O gálio e o boro possuem apenas três elétrons externos cada um. Quando misturados no reticulado de silício, formam "buracos" ou "lacunas" na treliça e um elétron do silício não tem a que se ligar. A ausência de elétron cria o efeito de uma carga positiva, daí o nome tipo P. Lacunas podem conduzir corrente. Uma lacuna aceita muito bem um elétron de um vizinho, movendo a lacuna em um espaço. O silício tipo P é um bom condutor. 
Uma quantidade minúscula de dopagem tipo N ou tipo P leva um cristal de silício de bom isolante a um condutor viável, mas não excelente - daí o nome "semicondutor". 
Os silícios tipo N e tipo P não são tão impressionantes sozinhos; mas quando você os coloca juntos, consegue um comportamento bem interessante na união dos dois. 
O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível. Um diodo permite que a corrente flua em uma direção, mas não na outra. Você já deve ter visto catracas em um estádio ou em uma estação de metrô, que deixam as pessoas passarem em apenas uma direção. Um diodo é uma catraca de sentido único para elétrons. 
Quando você coloca juntos o silício tipo N e tipo P como mostrado nesse diagrama, obtém um fenômeno bem interessante, que dá ao diodo suas propriedades únicas. 
 
Mesmo que o silício tipo N e o silício tipo P sozinhos sejam condutores, a combinação mostrada no diagrama não conduz eletricidade. Os elétrons negativos no silício tipo N são atraídos para o terminal positivo da bateria. As lacunas positivas no silício tipo P são atraídas para o terminal negativo da bateria. Nenhuma corrente flui pela junção, pois as lacunas e os elétrons estão se movendo na direção errada. 
Se você inverter a bateria, o diodo conduz a eletricidade muito bem. Os elétrons livres no silício tipo N são repelidos pelo terminal negativo da bateria. As lacunas no silício tipo P são repelidas pelo terminal positivo. Na junção entre o silício tipo N e o silício tipo P as lacunas e os elétrons se encontram. Os elétrons preenchem as lacunas. Ambos deixam de existir e novas lacunas e elétrons surgem em seu lugar. O efeito é que a corrente flui pela junção.Um dispositivo que bloqueia a corrente em uma direção, enquanto a deixa fluir em outra, é chamado de diodo. Os diodos podem ser utilizados de diferentes maneiras. Um dispositivo que utiliza pilhas, por exemplo, normalmente contém um diodo que o protege se você inserir as pilhas ao contrário. O diodo simplesmente bloqueia qualquer corrente que tente deixar a pilha se ela estiver ao contrário; isso protege os sensíveis componentes eletrônicos no dispositivo. 
Se polarizado inversamente, um diodo ideal bloquearia toda a corrente. Um diodo real deixa passar 10 microampéres, o que não é muito, mas ainda assim não é perfeito. Se você aplicar suficiente tensão (V) invertida suficiente, a junção se quebra e deixa a corrente passar. Geralmente, a tensão de quebra é muito maior do que o circuito jamais receberá, então é irrelevante. 
Quando polarizado diretamente, uma pequena quantidade de tensão é necessária para fazer o diodo funcionar. No silício, essa tensão é de cerca de 0,7 volts. Essa tensão é necessária para iniciar o processo de combinação lacuna-elétron na junção. 
MATERIAL NECESSÁRIO
fonte universal 30 V CC (ajustável)
voltímetro CC
miliamperímetro CC	01 lâmpada de 6 V
resistor 
diodo semicondutor
cabos de ligação
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
O circuito abaixo está automaticamente montado se simplesmente conectarmos o componente à fonte. Note que a tensão de saída indicada pela fonte é a mesma nos terminais do componente (há casos em que pode ser diferente?). A fonte também indica a corrente. Não estranhem o comportamento do diodo.
Montar o circuito abaixo e variando a tensão de saída completar a tabela.(Obs. A fonte já indica a tensão aplicada - que por sinal é a mesma que nos terminais dos componentes (há casos em que pode ser diferente?) e a corrente. Não estranhem o comportamento do diodo.
			 	
	RESISTOR VR (V)
	RESISTOR iR(mA)
	LÂMPADA VL (V)
	LÂMPADA iL(A)
	DIODO VD(V)
	DIODO iD(mA)
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	1
	10,1
	0,1
	65,7
	0,1
	0
	2
	20,2
	0,2
	89,3
	0,2
	0
	3
	30,3
	0,3
	98,4
	0,3
	0
	4
	40,4
	0,4
	105,2
	0,4
	0,01
	5
	50,5
	0,5
	112,4
	0,5
	0,11
	6
	60,6
	0,6
	119,9
	0,6
	0,82
	7
	70,7
	0,7
	127,5
	0,7
	6,19
	8
	80,8
	0,8
	135,0
	0,8
	33,9
	9
	90,9
	
	
	0,9
	131,8
TABELA 1
GRÁFICOS
Construa três gráficos: VR x iR; VL x iL; VD x iD .(Obs.:lembre-se da condição básica para haver corrente elétrica em um circuito) 
A relação é linear em algum deles? Em caso afirmativo, determine a inclinação e seu significado.
Há gráficos onde a relação não é linear? Qual? São capazes de explicar por que não?
Após realizar todos os procedimentos e construir os gráficos, é possível notar que um único componente que apresenta um comportamento linear é o resistor, seu gráfico V x I foi função do primeiro grau, sendo a relação V/I constante. Os demais componentes, lâmpada e diodo, apresentaram curvas diferente de primeiro grau, sendo assim a relação V/I não se mantém constante.
DISCUSSÃO 
Neste experimento, relacionado a Lei de ohm, iniciamos o mesmo em um circuito com um resistor, cuja tensão elétrica variava de 0 a 9 V. Com a montagem do circuito verificamos a quantidade de corrente que passava no sistema com a variação da tensão de 1 em 1V ate chegar a 9V. Porém, apesar de termos chego aos 9 Volts no resistor, e com corrente de 90,9 miliamperes, no mesmo, não conseguimos perceber, nada de diferente no circuito. Sendo assim, aumentamos a tensão até a medida de 13V e 131mA de corrente, onde percebemos que a lâmpada que estava interligada ao circuito, começou a acender. Posteriormente a essas medidas, iniciamos a segunda parte do experimento, onde usamos uma lâmpada incandescente para vermos o quanto de corrente passava pelo sistema. Quando chegamos a 0,4V a lâmpada começou a acender. Conforme aumentávamos a tensão, a lâmpada ficava mais forte (acesa) sendo que o seu ponto mais alto foi em 0,8, não conseguindo aumentar a tensão, pois queimou um dos resistores da placa. Logo após estas medidas, passamos para o experimento com o diodo interligado ao sistema, onde medindo 0,9V e com corrente de 131,8mA a lâmpada começou a acender.
Depois desta parte do experimento, invertemos a polaridade do diodo e medimos os valores para corrente novamente. Podemos observar que não passou corrente, ou melhor, passou um valor muito pequeno, ao qual pouco conseguia medir. Conforme foi explícito na teoria deste relatório, se polarizado inversamente, o potencial maior (+) estará no lado N, as cargas negativas serão atraídas, tendendo a migrar para a extremidade; da mesma maneira, as cargas positivas do lado P serão atraídas pelo potencial menor (-), também tendendo a migrar para a outra extremidade. O que acontece é que a barreira de potencial acaba aumentando, dificultando a passagem da corrente elétrica (que é a característica elétrica de um isolante). Então, o diodo “torna-se” um elemento isolante. Sendo assim, com esta ultima parte experimental, respondemos a questão 1a) e 1b), mas também podemos aproveitarmos tal situação e continuamente responder a questão 2.1, referente ao diodo agindo como uma resistência alta; podendo assim dizer, que isso ocorre quando o mesmo funciona no sentido oposto, conforme especificado acima.
Ainda referente ao diodo, a diferença dele e de um resistor comum, dá-se pelo fato de que diodo é um dispositivo não-linear. Abaixo de 0,7V, o diodo tem apenas uma corrente muito pequena. Logo após 0,7V, a corrente aumenta rapidamente. Essa ação é muito diferente de um resistor comum, no qual a corrente aumenta em proporção direta com a tensão. A razão do diodo ser diferente é que ele tem uma barreira de potencial produzida por camada de depleção.
Na questão 3, pergunta-se o que é camada de valência, pesquisando tal assunto, encontramos diversas explicações a respeito, porém a mais elaborada que encontramos foi esta: 
Em um átomo em condições normais, ou seja, que esteja em equilíbrio, o número de elétrons e prótons é igual. Isso faz com que a carga elétrica do átomo seja neutra. Certos átomos são capazes de receber e outros de ceder elétrons. Quando isso ocorre, o equilíbrio entre o número de cargas positivas e negativas deixa de existir. Diz-se que um corpo está carregado, quando o número de cargas positivas (prótons) é diferente do número de cargas negativas (elétrons). Os átomos que recebem elétrons tornam-se carregados negativamente,transformando-se em íons negativos (ânions). Já os que perdem elétrons tornam-se carregados positivamente, transformando-se em íons positivos (cátions). A fim de atingir a condição de equilíbrio os átomos que não possuem sua última camada completa podem ceder, receber, ou compartilhar elétrons. Este fenômeno ocorre com o elétron mais afastado do núcleo, o elétron da última camada, ou camada de valência. Os elétrons da camada de valência podem ser arrancados de seu átomo de origem por aplicação de forças externas. É a facilidade ou dificuldade de se retirar esses elétrons da camada de valência que determina se um material é bom ou mau condutor de eletricidade.
Em relação a questão 4, que perguntava a respeito do que seriam átomos trivalentes, tetravalentes e pentavalentes, podemos dizer a grosso modo, que nada mais é que a quantidade de elétrons na última camada, ou seja, trivalentes possuem 3 elétrons na última camada, tertravalentes 4 e pentavalentes 5 elétrons na camada de valência.
Na questão 5, existe uma afirmativa de que a adição de impurezas num cristal semicondutor é necessária, mediante tal, podemosconfirmar que a dopagem (como é chamada tal operação) é necessária para alterar suas propriedades elétricas. O grau de condutividade dependerá do tipo de átomo de impureza introduzido no cristal, sendo eles do tipo P, ou tipo N, os elétrons, respectivamente, para aplicação em dispositivos eletrônicos elementares de circuitos.
Nesta mesma linha de estudo, concluímos as respostas das questões 6 e 7, onde o semicondutor tipo P, chama-se assim pois possuem cargas positivas e dos tipo N, porque possuem cargas negativas.
CONCLUSÃO
Apesar da dificuldade que encontramos em lidar com os equipamentos no laboratório, achamos gratificante podermos concluir com êxito mais um relatório. Onde podemos comprovar com o experimento a teoria anteriormente aprendida, comprovando mais uma vez, nossa dedicação e esforço para obtermos devido sucesso. Isso deve-se muito à capacidade de transmissão de conhecimento aplicada pelo professor no laboratório.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://maisunifra.com.br/conteudo/lei-de-ohm/#3 acessado em 17/10/2014
http://informatica.hsw.uol.com.br/semicondutores.htm acessado em 17/10/2014
http://www.simonsen.br/its/pdf/apostilas/base-tecnica/1/eletricidade-basica-eletronica-1-ano-1-capitulo.pdf acessado em 17/10/2014
http://www.feg.unesp.br/~jmarcelo/restrito/arquivos_downloads/apostilas/eb2/semicondut_v1.pdf acessado em 17/10/2014