Relatório Experimento 2

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
FSC5123 – Física Experimental II – 2021.1
Experimento 2
Curva característica corrente-tensão
Turma: 4215 - sexta 13:30
Professor: Ivan H. Bechtold
Florianópolis - SC
1 Objetivo
Obter as curvas características de corrente-tensão dos componentes:
resistores metálicos de NiCr e de Tungstênio; resistores não metálicos PTC e VDR;
diodo semicondutor.
2 Introdução
Podemos descrever um circuito elétrico como um conjunto de caminhos que
permite a passagem da corrente elétrica. Um circuito é formado por componentes,
como resistores, capacitores, diodos, entre outros, sendo estes conectados a uma
fonte de tensão.
Os resistores, centro deste experimento, são dispositivos com capacidade de
transformar a energia elétrica em energia térmica, sendo que no circuito elétrico
oferecem certa oposição à passagem da energia elétrica, sendo chamada de
resistência elétrica.
Os resistores podem ser agrupados em duas classes: ôhmicos e não
ôhmicos. Os primeiros são aqueles, que de certa forma, seguem a Lei de Ohm, ou
seja, a corrente que percorre o resistor é proporcional à voltagem que é aplicada
sobre o circuito. Já os resistores não ôhmicos são aqueles que não seguem a Lei
de Ohm, ou seja, aqueles onde a intensidade da corrente varia de forma não
congruente.
.
3 Dados Experimentais
Tabela I - Resistores metálicos
Tensões sugeridas na fonte (aprox.):
0, 3, 6, 10, 15, 20, 25, 30 V
NiCr Lâmpada
V (V) i (mA) V (V) i (mA)
0,00 0,0 0,00 0,0
3,02 24,7 2,94 78,9
6,04 51,1 6,12 127,1
10,08 88,3 10,13 154,3
15,08 138,8 15,18 180,1
20,1 186,7 19,9 200
25,3 250 25,2 220
28,1 270 28,0 230
Tabela III - Termistor
➺ PTC: Positive Temperature coefficient
Tensões sugeridas na fonte (aprox.):
0, 2, 4, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 20, 25, 30 V
V (V) i (mA) V (V) i (mA)
0,00 0,00 9,87 250
1,90 46,1 11,95 240
3,90 97,8 15,00 220
5,90 155,6 20,1 170
8,02 220 25,0 130
9,03 240 38,0 120
Tabela II - Varistor
➺ VDR: Voltage Dependent Resistor
Tensões sugeridas na fonte (aprox.):
15, 17, 19, 22, 25, 28, 30 V
T1 (ºC) = 20 T2 (ºC) = 60
V (V) i (mA) V (V) i (mA)
15,0 0,18 14,8 0,22
17,1 0,29 17,2 0,38
19,0 0,44 19,0 0,57
22,0 0,78 22,2 1,01
25,1 1,33 25,0 1,67
28,0 2,13 28,0 2,67
- - - -
Tabela IV - Diodo
Tensões sugeridas na fonte (aprox.):
0, 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30 V -10,
-20 V
V (V) i (mA) V (V) i (mA)
0,0 0,0 10,0 63,5
1,0 2,3 15,0 97,2
2,0 8,6 20,0 130,9
3,0 15,9 24,8 163,5
4,0 22,7 27,6 183,7
6,0 36,3 -9,9 0,001
8,0 49,8 -19,6 0,002
4 Questionário
1. (a) Faça os gráficos de i em função de V com os dados da Tabela I para os
dois resistores metálicos: NiCr e lâmpada.
(b) O que é um resistor ôhmico? Indique qual dos resistores nesta primeira
parte é ôhmico, justificando a resposta.
Um resistor ôhmico é aquele que segue a Lei de Ohm (V = Ri, com R
constante.) e possui uma curva (i x V) característica linear. Dito isso, identificamos
que o resistor metálico de NiCr é do tipo ôhmico, pois apresenta uma curva em linha
reta, diferentemente do resistor de tungstênio (lâmpada).
(c) Determine a resistência R (em ohms) do resistor de NiCr.
Através da Lei de Ôhm
V = R * i
isolando o R: R = V / i
Conforme a curva experimental, aplicando-se uma tensão de 15,08 Volts, se
obtém uma corrente de 138,8 mA, convertendo para A e fazendo o cálculo:
R = 15,08 / 0,1388
R = 108,64 Ω
(d) Calcule o valor da resistência da lâmpada de Tungstênio nos casos em
que a tensão aplicada vale 3 V e 30 V e compare com a resistência do resistor de
NiCr.
Ao aplicar uma tensão de 2,94 V, obtém-se uma corrente de 0,0789 A,
portanto, a resistência é dada por:
R = 2,94 / 0,0789
R = 37,26 Ω
Ao aplicar uma tensão de 28,00 V, obtém-se uma corrente de 0,23 A,
portanto, a resistência é dada por:
R = 28,00 / 0,23
R = 121,74 Ω.
2. (a) Faça o gráfico i em função de V com os dados da Tabela II, para o VDR
à temperatura ambiente.
(b) Descreva como varia a resistência deste VDR à medida que a tensão
varia entre os limites medidos.
Calculando a resistência dos extremos de tensão, de 15 V e 28 V, obtêm-se
os seguintes valores:
Para a tensão de 15 V e corrente de 0,00018 A
R = 15 / 0,00018
R = 8,33 x 104 Ω
Para a tensão de 28 V e corrente de 0,00213 A
R = 30 / 0,00213
R = 1,31 x 104 Ω
No resistor VDR, à medida que a tensão aumenta, de 15 V para 28 V,
por exemplo, a corrente também aumenta. Isso ocorre porque a resistência diminui.
O VDR se trata de um resistor não-linear, e, portanto, não -ôhmico, com isso,
a relação da tensão com a corrente depende também da resistividade β e da
constante C.
(c) Num mesmo sistema de eixos log V (eixo y) versus log i (eixo x), plote os
gráficos do VDR às diferentes temperaturas. Os dados seguem tendência linear?
Calcule os coeficientes das retas via regressão e, a partir deles, determine β e C
para cada temperatura.
Os dados seguem tendência linear, pois:
log V = log C + β log i Y = a + b x
Dessa forma, temos uma equação tal que:
Y = log V
a = log C = coef. linear
β = b = coef. angular
X = log i
Calculando, via regressão linear temos:
Para temperatura ambiente de 20 ºC:
y = 0,2518x + 2,1224 com R² = 0,9997
β = 0,2518 e log C = a = 2,1224 → C = 132 ,56
Para temperatura ambiente de 60 ºC:
y = 0,2557x + 2,1077, com R² = 0,9996
β = 0,2557 e log C = a = 2,1077 → C = 128,14
(d) O que é possível afirmar sobre os valores de resistência do VDR quando
há uma mudança de temperatura?
Ao aumentar a temperatura e aplicando a mesma tensão, por exemplo,
de 19 V, a corrente em T = 20 ºC é de 0,00044 A e à 60 ºC é de 0,00057,
calculando as resistências, tem-se que:
Resistência à 20 ºC: R = 19 / 0,00044 = 4,3 x 104 Ω
Resistência à 60 ºC: R = 19 / 0,00057 = 3,3 x 104 Ω
Portanto, a resistência diminui quando há um aumento de temperatura no
resistor VDR.
3. (a) Construa a curva característica do PTC a partir dos dados
experimentais.
(b) É possível identificar uma região do gráfico em que o PTC se comporta
como um resistor ôhmico? Se sim, indique o intervalo de tensões em que isso
ocorre e determine a sua resistência em ohms.
Sim, no início ele se comporta como um resistor Ôhmico, pois é
praticamente uma reta, os intervalos são: 0 V - 8,00 V
Resistência: R = 1,9 / 46,1 = 0,04121 Ω
Resistência: R = 3,9 / 97,8 = 0,03987 Ω
Resistência: R = 5,9 / 155,7 = 0,03789 Ω
Para valores baixos de tensão, de até 8 V, a resistência se mantém
praticamente constante, os valores de resistência são aproximadamente 0,04 Ω,
confirmando que ele segue a Lei de Ohm.
4. (a) Construa a curva característica do diodo semicondutor para V > 0 a
partir dos dados experimentais.
(b) Comente qualitativamente o gráfico. O mesmo ocorre para V < 0?
Quando a tensão aplicada aumenta, a corrente também aumenta. Para V < 0
quando aumenta a tensão aplicada, a corrente diminui, ou seja, ocorre o inverso.
(c) Tendo em vista como o circuito foi montado, explique por que a tensão na
fonte difere significativamente da tensão no diodo.
Porque foi utilizado um resistor de proteção e, nele, a resistência passa a
ser constante, e difere da tensão da fonte aplicada.
5 Conclusão
Neste experimento foi possível notar as diferenças entre as curvas
características de cada componente. Foram analisados neste experimento os
resistores metálicos NiCr e de tungstênio, resistores não metálicos PTC e VDR e
Diodo semicondutor. As curvas características corrente-tensão (nome dado ao
gráfico de um dispositivo eletrônico ou componente) permite que se possa prever ou
até mesmo modelar o comportamento, assim como as características básicas desse
dispositivo. Foi possível notar que o dispositivo que segue a leis Ohm, apresentam
curvas lineares, ao contrário, os dispositivos que não seguem lei de Ohm, podem
assumir uma grande variedade de formas.