Caracterização de Dispositivos Eletrônicos

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Caracterização de Dispositivos Elétricos
Vitor Souza Premoli Pinto De Oliveira
Física exp. II – Licenciatura em Física – CCA
Universidade Federal do Espírito Santo – UFES
2019/02 - Alegre-ES
Resumo. O presente relatório tem como objetivo a caracterização de dispositivos elétricos através da identificação da relação de curvas características corrente-tensão (I x V). O estudo terá como ênfase a classificação quanta a condutividade dos aparatos bem como sua ligação a lei de ohm, devido ao caráter linear ou não dos gráficos. 
Palavras chave: Curva característica corrente-tensão, dispositivos eletrônicos, condutividade 
_______________________________________________________________________________________
Introdução
Curva característica corrente-tensão (I x V) é um gráfico que representa a relação entre corrente elétrica(I) que segue pelo componente pela tensão(V) aplicada no mesmo. Em geral, o gráfico age na função de modelar e entender o comportamento de um componente ou dispositivo na presença de um circuito elétrico.
A curva característica da corrente elétrica (I) que circula através de um dispositivo pela tensão (V) estabelecida entre os terminais, pode ser obtida experimentalmente com o uso de um circuito. Para que ocorra o valor da tensão deve ser medido diretamente nos terminais desse aparato, utilizando um voltímetro. A corrente elétrica que passa pela componente é medida com um amperímetro em série no circuito. Assim, aplicando valores diversos de tensão (na utilização de uma fonte ajustável), é possível agrupar pares de pontos (I, V) e assim fornecer uma curva característica do elemento analisado.
 No presente relatório usaremos como objetos de análise:
Resistor: resistores são componentes que tem por finalidade ora converter energia potencial elétrica em energia térmica por colisões entre os elétrons de condução e os átomos do resistor como também oferecer uma oposição a passagem de corrente elétrica. A essa oposição, damos o nome de resistência elétrica. O mesmo causa uma queda de tensão em alguma parte do circuito elétrico, porém jamais causam quedas de corrente elétrica, apesar de limitar a corrente. Dessa forma, a corrente elétrica que sai de um terminal de um resistor é a mesma que sai pelo outro terminal, porém com uma queda de tensão;
Diodo: É “um pequeno dispositivo eletrônico que atua como se fosse uma válvula unidirecional, que permite o fluxo eletrônico em apenas um sentido” [1];
Lâmpada: dispositivos responsáveis por transformar energia potencial elétrica em luz visível. No presente experimento usaremos a lâmpadas de filamento, que na passagem de corrente elétrica, um fio metálico condutor, torna-se incandescente, que no processo acaba emitindo radiação eletromagnética;
LED: do inglês Light-Emitting Diode (diodo emissor de luz), é um diodo construído de forma a emitir luz visível ou infravermelha sob tensão direta.
 Curvas Ôhmicas e não ôhmicas
Todos os dispositivos que seguem a lei de ohm apresentam curvas I x V lineares. A analise de um dispositivo ôhmico nos fornecerá um resultado semelhante à de uma reta cuja inclinação é determinada pela resistência elétrica(Ω) de um dispositivo. Porém, “todos os dispositivos que não seguem a lei de ohm são chamados de não ôhmicos e as curvas I-V resultantes da análise desse tipo de dispositivos podem assumir uma grande variedade de formas” [4]
Adiante no relatório, esse coeficiente linear será apresentado na forma 
 
Onde V é tensão, I a corrente elétrica e R a resistência elétrica, O na formula [1] se deve pelo uso da Lei de Ohm, que nesse caso é dado por 
 
Condutores, semicondutores, supercondutores e isolantes
“Alguns materiais possibilitam a migração da carga elétrica de uma região para outra, enquanto outros impedem o movimento das cargas elétricas” [2], e com isso podem ser classificados de acordo com a facilidade que ocorre essa migração de cargas. Temos eles os condutores onde as cargas elétricas se movem com facilidade e os isolantes onde as cargas não se movem. 
Com relação aos condutores, temos subgrupos formados. Os semicondutores, o qual são “materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores” [3] e os supercondutores que são condutores perfeitos, materiais nos quais as cargas se movem sem encontrar nenhuma resistência elétrica (Ω).
Procedimento Experimental
A prática se deu na utilização dos seguintes materiais:
Multímetro (Amperímetro, voltímetro);
Fonte de alimentação ajustável;
3 Resistores(120 Ω,68 Ω e 56) ; 
Lâmpada 6 Volts;
Diodo;
LED.
O primeiro processo consistiu na preparação da placa de montagem. Assim como é mostrado na figura 1, foi montado o circuito na placa de modo que foi deixado pontos de conexão reservados para o dispositivo a ser testado.
Figura 1 [1] Fonte de alimentação ajustável, [2] Resistor, [3] amperímetro, [4] voltímetro e [5] posição reservada para o dispositivo a ser testado.
Foram conectados tanto amperímetro quanto o voltímetro no circuito de modo que o primeiro ficasse em série com a placa, e o segundo em paralelo com o sistema. Ligado a fonte de tensão variável e ajustado no valor mínimo de tensão, foi dado início o experimento.
Inicialmente, ajustando as escalas do amperímetro para 20 mA e Voltímetro para 2000 mV, foi inserido dois resistores (68 Ω e 56 Ω respectivamente, os mesmos foram escolhidos de tal forma pudessem substituir um resistor de 120 Ω) na posição reservada para o dispositivo a ser testado. Logo em seguida, com o auxílio da fonte, variou-se entre 0 e 5 Volts, de 500 em 500 mV, e conseguinte, anotado os valores obtidos pelo intermédio de uma tabela. Desligado a fonte, inverteu-se a polaridade da mesma e novamente foi repetido o mesmo procedimento, só que, porém, para valores entre 0 e -5 Volts.
O procedimento descrito foi repetido tanto para o LED, diodo e lâmpada. É importante ressaltar que ao longo do experimento foi necessário fazer a troca das escalas dos medidores, sendo no fim, obrigatório para a lâmpada, já que o amperímetro na utilização deveria estar na escala de 10 A.
Resultados e Discussão
Oriunda da prática, foi possível produzir tabela a medida que os equipamentos eram medidos pelos auxilio do multímetro (voltímetro e amperímetro).
Tabela 1: Dados de corrente e tensão de um diodo
	Corrente (I) e tensão (V) elétrica do circuito com diodo.
	Fonte Ajustável
	Corrente (A ± ΔA)
	Tensão (V ± ΔV)
	0 V
	0
	0
	0,5 V
	(7 ± 2) .10-5
	(4,5±0,02).10-4 
	1,0 V
	(33 ± 1) .10-4
	(6,3±0,02).10-4
	1,5 V
	(73 ± 1) .10-4
	(6,6±0,02).10-4
	2,0 V
	(118 ± 1) .10-4
	(6,9±0,02).10-4
	2,5 V
	(159 ± 2) .10-4
	(7,0±0,02).10-4
	3,0 V
	(217 ± 5) .10-4
	(7,1±0,02).10-4
	3,5 V
	(266 ± 5) .10-4
	(7,2±0,02).10-4
	4,0 V
	(31 ± 1) .10-3
	(7,3±0,02).10-4
	4,5 V
	(36 ± 1) .10-3
	(7,4±0,02).10-4
	5,0 V
	(40 ± 1) .10-3
	(7,4±0,02).10-4
	< Inversão de polaridade >
	-5,0 V
	-(5,6±0,3).10-6
	-(5,0±0,02).10-³
	-4,5 V
	-(5,1±0,3).10-6
	-(4,47±0,02).10-³
	-4,0 V
	-(4,6±0,2).10-6
	-(4,01±0,02).10-³
	-3,5 V
	-(4,0±0,2).10-6
	-(3,50±0,02).10-³
	-3,0 V
	-(3,4±0,2).10-6
	-(3,04±0,02).10-³
	-2,5 V
	-(2,8±0,2).10-6
	-(2,49±0,02).10-⁴
	-2,0 V
	-(2,2±0,2).10-6
	-(1,96±0,02).10-⁴
	-1,5 V
	-(1,7±0,3).10-6
	-(1,50±0,02).10-⁴
	-1,0 V
	-(1,1±0,2).10-6
	-(0,98±0,02).10-⁴
	-0,5 V
	-(0,6±0,2).10-6 
	-(0,54±0,02).10-⁴ 
	0 V
	0
	0
Na utilização do diodo, podemos visualizar que a partir do momento que a polaridade do circuito é invertida, apenas uma ínfima parte da corrente elétrica é revelada. Demonstrando que ora o dispositivo comporta-se como condutor (ou seja, em apenas em um sentido flui corrente) ora ele comporta-se como isolante. Isso nos ajuda a validar a característica de um diodo tanto como provar que o mesmo é um semicondutor, visto que apresenta o mesmo padrão de um.
Figura 2 curva característica de um dispositivo não ôhmico - DiodoPela curva característica desse diodo, podemos identificar facilmente seu comportamento, através do ajuste exponencial, tendo sua curva tendendo a zero à medida que sua polaridade é revertida. 
Podemos ver pela tabela 2 que o LED possui o mesmo comportamento que o diodo, visto que o próprio possui uma corrente elétrica ínfima a medida que sua polaridade é trocada, ou seja, o mesmo não suporta tensão reversa.
Tabela 2: Dados de corrente e tensão de um LED
	Corrente (I) e tensão (V) elétrica do circuito com LED.
	Fonte Ajustável
	Corrente (A ± ΔA)
	Tensão (V ± ΔV)
	0 V
	0
	0
	0,5 V
	(5 ± 25) .10-8
	(5,2±0,02).10-4 
	1,0 V
	(1 ± 3) .10-7
	(10,2±0,03).10-4
	1,5 V
	(2 ± 4) .10-7
	(14,6±0,03).10-4
	2,0 V
	(2 ± 4) .10-7
	(20,2±0,03).10-4
	2,5 V
	(2 ± 2) .10-6
	(24,5±0,03).10-4
	3,0 V
	(2 ± 2) .10-3
	(27,2±0,03).10-4
	3,5 V
	(5 ± 5) .10-3
	(28,4±0,03).10-4
	4,0 V
	(9 ± 9) .10-3
	(29,4±0,03).10-4
	4,5 V
	(1 ± 1) .10-2
	(30,3±0,04).10-4
	5,0 V
	(2 ± 2) .10-2
	(31,0±0,04).10-4
	< Inversão de polaridade >
	-5,0 V
	-(1±1).10-6
	-(50,2±0,1).10-4
	-4,5 V
	-(1±1).10-6
	-(44,8±0,04).10-4
	-4,0 V
	-(5±7).10-7
	-(40,4±0,04).10-4
	-3,5 V
	-(4±6).10-
	-(34,5±0,04).10-4
	-3,0 V
	-(3±5).10-7
	-(30,3±0,04).10-4
	-2,5 V
	-(3±5).10-7
	-(25,2±0,03).10-4
	-2,0 V
	-(2±4).10-7
	(20,1±0,03).10-4
	-1,5 V
	-(2±4).10-7
	-(15,0±0,03).10-4
	-1,0 V
	-(1±3).10-7
	-(0,95±0,02).10-4
	-0,5 V
	-(1±3).10-7 
	-(0,51±0,02).10-4
	0 V
	0
	0
De fato, isso ocorre visto que o LED é nada mais que um diodo, que diferente desse último, o próprio possui como função extra emitir luz visível ou infravermelha sob tensão direta; fato esse dos valores de tensão e corrente serem menores se compararmos ao diodo, visto que grande parte é convertida em energia luminosa. 
Figura 3 curva característica de um dispositivo não ôhmico - LED
Comparando a figura 3 com a figura 2, é possível validar a afirmação acima. Assim como acontece com o diodo, sua curva tende a zero à medida que sua polaridade é invertida e crescente exponencialmente a partir do momento que a tensão segue no sentido positivo da corrente. Características semelhantes a de um semicondutor e consequentemente de um diodo. 
Com os registros do resistor, foi possível comprovar sua linearidade e assim poder classifica-lo como um dispositivo ôhmico.
Tabela 3: Dados de corrente e tensão para o par de resistores (68 Ω e 56 Ω).
	Corrente (I) e tensão (V) elétrica do circuito com resistores.
	Fonte Ajustável
	Corrente (A ± ΔA)
	Tensão (V ± ΔV)
	0 V
	0
	0
	0,5 V
	(2,65±0,23).10-³ 
	(18,0±0,02).10-⁴ 
	1,0 V
	(4,86±0,23).10-³
	(33,0±0,02).10-⁴
	1,5 V
	(7,4±0,3).10-³
	(50,0±0,02).10-⁴
	2,0 V
	(1,04±0,21).10-²
	(70,0±0,02).10-⁴
	2,5 V
	(1,29±0,21).10-²
	(86,0±0,02).10-⁴
	3,0 V
	(1,51±0,22).10-²
	(10,1±0,02).10-³
	3,5 V
	(1,77±0,22).10-²
	(11,8±0,02).10-³
	4,0 V
	(2,12±0,23).10-²
	(14,2±0,02).10-³
	4,5 V
	(2,39±0,23).10-²
	(16,0±0,02).10-³
	5,0 V
	(2,69±0,23).10-²
	(18,0±0,02).10-³
	< Inversão de polaridade >
	-5,0 V
	-(2,69±0,23).10-²
	-(18,0±0,02).10-³
	-4,5 V
	-(2,43±0,23).10-²
	-(16,3±0,02).10-³
	-4,0 V
	-(2,17±0,23).10-²
	-(14,5±0,02).10-³
	-3,5 V
	-(1,86±0,22).10-²
	-(12,4±0,02).10-³
	-3,0 V
	-(1,63±0,22).10-²
	-(1,09±0,02).10-³
	-2,5 V
	-(1,35±0,21).10-²
	-(90±0,03).10-⁴
	-2,0 V
	-(1,06±0,21).10-²
	-(72,0±0,02).10-⁴
	-1,5 V
	-(7,8±0,3).10-³
	-(52,0±0,02).10-⁴
	-1,0 V
	-(5,90±0,23).10-³
	-(37,0±0,02).10-⁴
	-0,5 V
	-(2,80±0,23).10-³ 
	-(19,0±0,02).10-⁴ 
	0 V
	0
	0
 
Sua linearidade é demonstrada com maior clareza através de sua curva característica, assim como é indicada na figura 4.
Figura 4 curva característica de um dispositivo ôhmico - Resistores
Por se tratar de um dispositivo ôhmico, devido a sua linearidade apresentada no gráfico, logo pela razão entre a tensão aplicada e a intensidade de corrente que o atravessa de certa forma deve ser constante em todo ponto da reta, ou seja, a resistência R do elemento resistivo deve ser constante, a medida que a curva característica é linear. Pelo uso do software Scidaves, podemos ver que de antemão ocorre, levando em consideração que o coeficiente linear da reta é dado aproximadamente como 1,47, obtida através do ajuste linear obtida pelo programa, e levando em consideração a expressão [1], é visto que o valor da resistência é dado como aproximadamente 68 Ω.
 Nos registros da lâmpada, também foi possível realizar a produção de uma tabela.
Tabela 4: Dados de corrente e tensão para uma lâmpada de filamento (incandescente).
	Corrente (I) e tensão (V) elétrica do circuito com lâmpada.
	Fonte Ajustável
	Corrente (A ± ΔA)
	Tensão (V ± ΔV)
	0 V
	0
	0
	0,5 V
	0,06±0,02
	0,38±0,02
	1,0 V
	0,09±0,02
	0,80±0,02
	1,5 V
	0,11±0,02
	1,26±0,02
	2,0 V
	0,13±0,02
	1,72±0,02
	2,5 V
	0,15±0,02
	2,23±0,03
	3,0 V
	0,17±0,02
	2,69±0,03
	3,5 V
	0,18±0,02
	3,16±0,04
	4,0 V
	0,20±0,02
	3,68±0,04
	4,5 V
	0,21±0,02
	4,09±0,04
	5,0 V
	0,22±0,02
	4,57±0,04
	< Inversão de polaridade >
	-5,0 V
	-0,22±0,02
	-4,58±0,04
	-4,5 V
	-0,21±0,02
	-4,08±0,04
	-4,0 V
	-0,20±0,02
	-3,65±0,04
	-3,5 V
	-0,18±0,02
	-3,19±0,04
	-3,0 V
	-0,17±0,02
	-2,73±0,03
	-2,5 V
	-0,15±0,02
	-2,25±0,03
	-2,0 V
	-0,13±0,02
	-1,74±0,02
	-1,5 V
	-0,11±0,02
	-1,27±0,02
	-1,0 V
	-0,09±0,02
	-0,81±0,02
	-0,5 V
	-0,06±0,02
	-0,35±0,02
	0 V
	0
	0
Com ela é possível identificar que o dispositivo de antemão, não é um dispositivo ôhmico. Isso implica, assim como é mostrada na figura 5, em que a sua curva I x V característica não é uma reta.
Figura 5 curva característica de um dispositivo ôhmico - Lâmpada
Este comportamento de não linearidade da curva se deve pela mudança constante da resistividade do sistema, que muda à medida que a temperatura varia. O processo ocorre devido ao filamento presente na lâmpada que aquece cada vez mais a proporção que o dispositivo recebe uma diferença de potencial. Podemos ver claramente por ambas a tabela 4 e figura 5 que o aparato é de caráter condutor; levando em consideração a faixa de valores e suas respectivas incertezas, a mesma corrente e tensão que flui em um sentido é a mesma que ocorre no outro. Demonstrando ser um material os quais suas cargas elétricas se deslocam de maneira relativamente livre.
Conclusão
Com o presente experimento foi possível comprovar a lei de ohm nos dispositivos resistivos, demonstrando sua linearidade através de gráfico e tabela, assim como revelado no resistor. Pelos cálculos obtidos da resistência do aparato, é revelado que apenas um resistor foi reconhecido, nesse caso, dos dois, 68 Ω e 56 Ω respectivamente, apenas o primeiro se fez presente; esse erro gerado leva a crer que o os resistores foram mal alocados no circuito, porém apesar da desavença a veracidade de ser um “dispositivo ôhmico” ainda esteve presente, pois assim como é visto no gráfico da figura 4, a resistência R do elemento resistivo ainda permaneceu constante a medida que a curva característica era apresentada.
Através do diodo e LED, foi possível visualizar que apesar de serem semicondutores, mesmo que ínfimo ainda havia a presença de corrente elétrica no sentido inverso; demonstrando dessa forma não serem totalmente ideais. 
Referências
[1][3] P. G Hewitt. (2015). FÍSICA Conceitual. Porto Alegre. 12ª edição.
[2] H. D. Young, R. A Freedman., F. W. Sears, & M. W Zemansky. (2009). Sears e Zemansky física III: eletromagnetismo. Pearson. 12° edição.
[4] HAYT JR, William H.; KEMMERLY, Jack E.; DURBIN, Steven M. (2008). Análise de Circuitos em Engenharia. McGraw-Hill Brasil, 7º edição.