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Projeto (Experimento 4) Thiago Ribas Moncinhatto NºUSP: 8556721 Verônica Cuencas Cardoso NºUSP:8556811 Resistividade do metal Níquel-Cromo a partir da 2ª Lei de Ohm. Laboratório Experimental II Prof. José Henrique Vuollo Introdução: A segunda lei de Ohm diz que a resistência elétrica de um condutor homogêneo e de seção transversal constante é proporcional ao seu comprimento l, inversamente proporcional à sua área transversal A e depende da temperatura e do material de que é feito o condutor A grandeza ρ chama-se resistividade elétrica e é característica do material e da temperatura. Sua unidade de medida é o Ω.m. Objetivos do Experimento Calcular a resistividade do metal Níquel-Cromo, utilizando dois métodos, e comparar com valor tabelado na literatura (𝜌 = 1,37 mm².Ω/m). Verificar quais dos dois métodos é mais eficiente. Para isso utilizamos dois métodos de tomada de dados. Método I Consiste em medir a resistividade a partir do valor da resistência interna do metal, obtida com um Ohmímetro. Materiais utilizados: • Fio cilíndrico de Níquel-Cromo; • Ohmímetro; • Régua de 30 cm; • Alicate de corte; • Micrômetro; • Suporte de madeira para resistores; • Termômetro; Para medir a área transversal do fio de níquel cromo, utilizamos um micrômetro, e adotamos sua incerteza como sendo 0,01 mm para não subestimar valores. Medimos dez vezes o diâmetro do fio, obtendo para as dez medições a mesma medida, e utilizamos a seguinte expressão para calcular a área: 𝐴 = 𝜋 ( 𝐷 2 )² Área Medição Diâmetro do fio (mm) Incerteza do Diâmetro σD (mm) Área Transversal do fio (mm²) Incerteza da Area σA(mm²) 1º 0,33 0,01 0,086 0,005 2º 0,33 0,01 0,086 0,005 3º 0,33 0,01 0,086 0,005 4º 0,33 0,01 0,086 0,005 5º 0,33 0,01 0,086 0,005 6º 0,33 0,01 0,086 0,005 7º 0,33 0,01 0,086 0,005 8º 0,33 0,01 0,086 0,005 9º 0,33 0,01 0,086 0,005 10º 0,33 0,01 0,086 0,005 Tabela com valores do diâmetro e área transversal e suas respectivas incerteza. Como o diâmetro foi medido com o micrômetro, sua incerteza: σD = 0,01 mm (Incerteza do Diâmetro) Sendo o Raio obtido por: 𝑅 = 𝐷 2 Sua incerteza do raio, através de propagação, será: σ𝑅𝑎𝑖𝑜 = σ𝐷 2 = 0,005𝑚𝑚 (Incerteza do Raio) Portanto, a incerteza da área, por propagação, será: σ𝐴 = 2𝜋σ𝑅 = 0,005 𝑚𝑚2 (Incerteza da Área) ∴ A = (0,086 ± 0,005)(𝑚𝑚)² Incerteza da Área Comprimentos do fio de Níquel-cromo 1ª medida(30cm) 2ª medida(28cm) 3ª medida(26cm) 4ª medida(24cm) 5ª medida(22cm) 6ª medida(20cm) 7ª medida(18cm) 8ª medida(16cm) 9ª medida(14cm) 10ª medida(12cm) Medição Comprimento Do fio (m) Incerteza do Comprimento σC (m) Resistência do fio (Ω) Incerteza da Resistência σR (Ω) 1º 0,300 0,001 5,3 0,2 2º 0,282 0,001 4,9 0,1 3º 0,262 0,001 4,5 0,1 4º 0,242 0,001 4,2 0,1 5º 0,222 0,001 3,9 0,1 6º 0,202 0,001 3,6 0,1 7º 0,182 0,001 3,3 0,1 8º 0,162 0,001 2,9 0,1 9º 0,142 0,001 2,5 0,1 10º 0,122 0,001 2,3 0,1 Tabela com valores de comprimento e resistência do fio. Para não subestimar valores, adotamos como a incerteza da régua 0,001m (1mm). Logo a incerteza do comprimento é: 𝜍𝐶 = 0,001m (Incerteza do Comprimento ) Incerteza do comprimento Fio de níquel-cromo Para um nível de significância de 3σ, a incerteza da Resistência, obtida através dos dados do manual do ohmímetro é : σ𝑅 = 1% + 4𝐷 3 (Incerteza da Resistência) Incerteza da Resistência Correção da Resistência obtida conforme a temperatura local 𝑅 = 𝑅20 1 + 𝛼20 𝑇 − 20 Onde: T é a temperatura ambiente (T= 25,9°); R é a resistência medida a temperatura ambiente; 𝑅20 a resistência corrigida a 20°C; 𝛼20 é o coeficiente de temperatura (0,0004 1/°C). v Medição Comprimento do fio L(m) Incerteza do comprimento σL(m) Resistência CORRIGIDA Rc (Ω) Incerteza da resistência CORRIGIDA σRc (Ω) 1º 0,300 0,001 5,29 0,03 2º 0,282 0,001 4,89 0,03 3º 0,262 0,001 4,49 0,03 4º 0,242 0,001 4,19 0,03 5º 0,222 0,001 3,89 0,03 6º 0,202 0,001 3,59 0,03 7º 0,182 0,001 3,29 0,02 8º 0,162 0,001 2,89 0,02 9º 0,142 0,001 2,49 0,02 10º 0,122 0,001 2,29 0,02 Tabela com valores de comprimento e resistência CORRIGIDA do fio. • GRAFICO R E foram obtidos os seguintes dados do gráfico : 𝛼 = 17,56 (Coeficiente angular do gráfico) σ𝛼 = 0,05 (Incerteza do coeficiente angular do gráfico) 𝑋² = 36,8 (Qui quadrado) O coeficiente angular obtido é dado por: 𝛼 = 𝑅𝑐 𝐿 = 17,56 ± 0,05 Ω 𝑚 Da segunda lei de Ohm, temos: 𝜌 = 𝑅 𝐿 𝐴 ∴ 𝜌 = 𝛼𝐴 Resistividade Incerteza da resistividade Da expressão: 𝜌 = 𝛼𝐴 Por propagação de incerteza, temos: σ𝜌 = 𝐴σ𝛼 2 + 𝛼σ𝐴 2 Como: 𝛼 = 17,56 ± 0,05 Ω 𝑚 A = (0,086 ± 0,005)(𝑚𝑚)² σ𝜌 = 0,09 Ω𝑚𝑚2 𝑚 Resistividade método 1 Por fim, a resistividade encontrada por esse método foi: 𝜌 = 1,51 ± 0,09 Ω𝑚𝑚2 𝑚 TESTE Z Para realizar a comparação entre o valor da resistividade obtida pelo método I 𝜌𝐴 e o valor da resistividade tabelada 𝜌𝐵 (que pode ser obtida pelo site: http://www.edufer.com.br/tabela-de- resistividade-dos-materiais-condutores- semicondutores-e-isolantes) foi feito o teste z. Foi utilizado um nível de significância 𝛼 = 0,3% Resultado do teste z Verificamos que: 𝑍 = 1,6 < 3 = 𝑍𝑠 O que nos permite afirmar que a hipótese foi aceita. Isso significa que o valor esperado para a resistividade obtida pelo método I 𝜌𝐴 é igual ao valor esperado da resistividade tabelada 𝜌𝐵. Concluímos que obtivemos um bom resultado, coerente com o esperado, Método 2 Consiste em medir a resistividade a partir do valor da resistência, obtida a partir da primeira lei de Ohm, medida com dois multímetro, um na função voltímetro e um na função amperímetro. Materiais utilizados: • Fio cilíndrico de Níquel-Cromo; • Régua de 30 cm; • Alicate de corte; • Micrômetro; • Suporte de madeira para resistores; • Termômetro; • Fonte; • Dois multímetros; • Uma resistência de proteção de 100 Ohm. Diferença entre os métodos Método I Método II Ohmímetro Voltímetro e Amperímetro _______ Resistência de proteção (100 Ω) Amostra Tensão T (V) Incerteza da Tensão σT (V) Corrente i (A) Incerteza da Corrente σi (A) Resistência R (Ω) Incerteza da Resistência σR (Ω) 1º 1,082 0,004 0,21230 0,00086 5,097 0,029 2º 1,005 0,004 0,21280 0,00086 4,723 0,027 3º 0,928 0,004 0,21410 0,00087 4,334 0,025 4º 0,838 0,004 0,21440 0,00087 3,909 0,023 5º 0,780 0,003 0,21470 0,00087 3,633 0,022 6º 0,714 0,003 0,21500 0,00087 3,321 0,020 7º 0,617 0,003 0,21600 0,00088 2,990 0,018 8º 0,576 0,003 0,21620 0,00088 2,664 0,017 9º 0,505 0,003 0,21630 0,00088 2,335 0,016 10º 0,442 0,003 0,21640 0,00088 2,043 0,014 Tabela com valores de Tensão, Corrente e Resistência para cada comprimento do fio. Incerteza da Tensão Para um nívelde significância de 3σ, a incerteza da Tensão, foi obtida através dos dados do manual do multímetro : σ𝑇 = 0,8% + 4𝐷 3 (Incerteza da Tensão) Para um nível de significância de 3σ, a incerteza da corrente, foi obtida através dos dados do manual do multímetro : σ𝑖 = 1,2% + 4𝐷 3 (Incerteza da corrente) Incerteza da Corrente Da primeira lei de Ohm, temos que: 𝑅 = 𝑈/𝑖 Então, a incerteza da resistência foi calculada a partir da fórmula de propagação de incerteza : σ𝑅² = ( 𝜍𝑈 𝑖 )² + − 𝑈𝜍𝑖 𝑖2 2 (Incerteza da Resistência) Incerteza da Resistência Correção da Resistência obtida conforme a temperatura local 𝑅 = 𝑅20 1 + 𝛼20 𝑇 − 20 Onde: T é a temperatura ambiente (T= 26,4°); R é a resistência medida a temperatura ambiente; 𝑅20 a resistência corrigida a 20°C; 𝛼20 é o coeficiente de temperatura (0,0004 1/°C). Medição Comprimento do fio L(m) Incerteza do comprimento σL(m) Resistência CORRIGIDA Rc (Ω) Incerteza da resistência CORRIGIDA σRc (Ω) 1º 0,300 0,001 5,08 0,03 2º 0,280 0,001 4,71 0,03 3º 0,260 0,001 4,32 0,03 4º 0,240 0,001 3,90 0,03 5º 0,220 0,001 3,62 0,03 6º 0,200 0,001 3,31 0,02 7º 0,180 0,001 2,98 0,02 8º 0,160 0,001 2,66 0,02 9º 0,140 0,001 2,33 0,02 10º 0,120 0,001 2,04 0,02 Tabela com valores de comprimento e resistência. E foram obtidos os seguintes dados do gráfico : 𝛼 = 16,64 (Coeficiente angular do gráfico) σ𝛼 = 0,05 (Incerteza do coeficiente angular do gráfico) 𝑋² = 21,2 (Qui quadrado) O coeficiente angular obtido é dado por: 𝛼 = 𝑅𝑐 𝐿 = 16,64 ± 0,05 Ω 𝑚 Da segunda lei de Ohm, temos: 𝜌 = 𝑅 𝐿 𝐴 ∴ 𝜌 = 𝛼𝐴 Resistividade Incerteza da resistividade Da expressão: 𝜌 = 𝛼𝐴 Por propagação de incerteza, temos: σ𝜌 = 𝐴σ𝛼 2 + 𝛼σ𝐴 2 Como: 𝛼 = 16,64 ± 0,05 Ω 𝑚 A = (0,086 ± 0,005)(𝑚𝑚)² σ𝜌 = 0,10 Ω𝑚𝑚2 𝑚 Resistividade método II Por fim, a resistividade encontrada por esse método foi: 𝜌 = 1,43 ± 0,10 Ω𝑚𝑚2 𝑚 TESTE Z Para realizar a comparação entre o valor da resistividade obtida pelo método II 𝜌𝑐 e o valor da resistividade tabelada 𝜌𝐵 (que pode ser obtida pelo site: http://www.edufer.com.br/tabela-de- resistividade-dos-materiais-condutores- semicondutores-e-isolantes) foi feito o teste z. Foi utilizado um nível de significância 𝛼 = 0,3% Resultado do teste z Verificamos que: 𝑍 = 0,6 < 3 = 𝑍𝑠 O que nos permite afirmar que a hipótese foi aceita. Isso significa que o valor esperado para a resistividade obtida pelo método II 𝜌𝐶 é igual ao valor esperado da resistividade tabelada 𝜌𝐵. Concluímos que obtivemos um bom resultado, coerente com o esperado. Discussão dos Resultados Após realizarmos todas as medidas e efetuarmos os dois métodos para o cálculo da resistividade, obtivemos os seguintes valores: Método I 𝜌 = 1,51 ± 0,09 Ω𝑚𝑚2 𝑚 Método II 𝜌 = 1,43 ± 0,10 Ω𝑚𝑚2 𝑚 • Efetuamos o teste z para comparar qual dos métodos é o mais eficiente no cálculo da resistividade de um material condutor. • Concluímos que, neste caso, a maneira mais precisa de se obter a resistividade do metal níquel-cromo é utilizando-se do método II ( realizando as medidas com um voltímetro e um amperímetro). O método II se aproximou mais do valor tabelado da resistividade do níquel-cromo. Tal aproximação desses valores (𝜌𝑐 e 𝜌𝐵 ), foi justificada com o resultado do teste z. Conclusão
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