Entender os princípios de funcionamento do voltímetro, amperímetro e ohmímetro, bem como montá-los e utilizá-los.

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1 Laboratório de Física 3 OLTÍMETO, AMPEÍMETO E OHMÍMETO: PNCÍPOS DE FUNCONAMENTO Objetivos Entender os princípios de funcionaento do voltíetro, aperíetro e ohíetro, be coo ontá-los e utilizá-los ntrodução O ultíetro, principal instruento de teste e reparo de circuitos eletrônicos, consiste basicaente de u alvanôetro liado a ua chave seletora, ua bateria e vários resistores internos, para optaros pelo seu funcionaento coo aperíetro, ohíetro ou voltíetro. Os ultíetros co alvanôetro são chaados de ultíetros analóicos. U alvanôetro nada ais é do que u detector de corrente elétrica contínua de baios valores. O tipo ais usual é o de bobina óvel, conhecido coo alvanôetro de D Arsonval (ver fiura 3.1). Este instruento é constituído essencialente de ua bobina de fio uito fino, iersa e u capo anético unifore de u íã peranente e ontada e u sistea de suspensão que a perite irar e torno de u eio que passa através de seu diâetro, quando percorrida por corrente elétrica. Esta corrente (que é a própria corrente que se deseja deterinar) produz u capo anético, o qual interae co o capo anético erado pelo íã peranente, provocando ua defleão anular proporcional ao valor desta corrente. Esta ação é liitada pela ação restauradora de ua ola. Este liite ocorre quando o torque provocado pela força de interação anética se iuala ao torque restaurador da ola. O valor deste deslocaento é indicado e ua escala raduada através de u ponteiro fio à bobina óvel, indicando, dessa fora, a intensidade da corrente. Através de circuitos apropriados, o alvanôetro pode ler outras randezas elétricas, coo tensão contínua, tensão alternada, resistência, potência, entre outras. escala ponteiro capo anético íã i i íã bobina ola fios da bobina suporte da ola Fi Esquea de u alvanôetro de bobina óvel. - oltíetro, aperíetro e ohíetro: princípios de funcionaento - 16

2 Laboratório de Física Todo alvanôetro possui ua resistência interna que é inerente ao aterial e diensões do fio de que é feita a bobina. O valor desta resistência, alé dos parâetros ecânicos (suspensão, eio e ola), é deterinado pelos valores da ddp e corrente que pode ser edidos diretaente pelo alvanôetro. Para defletir o ponteiro do alvanôetro ao fi da escala é necessária ua corrente de valor. Esta corrente produz ua diferença de potencial sobre a resistência interna, cujo valor é dado pela lei de Oh. Desse odo, a áia corrente, que pode ser edida diretaente pelo alvanôetro, é liitada pelos parâetros construtivos deste. Este valor chaa-se fundo de escala. Para se auentar o alcance dessas randezas, deve-se associar resistores adequadaente, de odo a peritir edidas de valores aiores de corrente e de ddp oltíetro Consiste de u alvanôetro associado e série a u resistor, o qual perite edidas da ddp aiores do que a diferença de potencial áia (. ), que noralente o alvanôetro pode indicar. Este resistor é denoinado resistor ultiplicador e deve ser calculado para o valor de ddp áia que se pretenda edir. O seu cálculo baseia-se na lei de Oh e no fato da ddp edida ser aplicada à associação série resistor-alvanôetro, provocando queda de potencial, parte no resistor e parte no alvanôetro. Na fiura 3.2 teos a representação siplificada de u voltíetro. Os terinais A e B representa as pontas de prova. A Fi epresentação siplificada de u voltíetro. Suponhaos que a corrente áia (de fundo de escala) e a resistência interna do alvanôetro seja e, respectivaente. Se desejaros que o ultíetro eça ua tensão á no fi da escala, a resistência será então: B á + á (Equação 3.1) Para eeplificar, adita que o alvanôetro tenha os seuintes parâetros: 1 A e 60 Ω e que se deseja saber o valor de que perita edir 10 no fi da escala. Usando a equação 3.1, teos que Ω A raduação da nova escala do alvanôetro será, então, tal coo ilustra a fiura oltíetro, aperíetro e ohíetro: princípios de funcionaento - 17

3 Laboratório de Física Fi Escala raduada de u voltíetro co fundo de escala de 10. Ua observação iportante a ser encionada é que para não haver interferência sinificativa na edida da tensão co o voltíetro, é necessário que sua resistência interna seja be alta e relação à resistência do circuito sobre o qual a tensão esteja sendo edida. Para eeplificar analisareos o circuito ostrado na fiura 3.4. A 4 kω B 1 kω c d 10 Fi Esquea de edida da tensão sobre o resistor e u circuito elétrico. Pela lei de Oh, a ddp sobre o resistor de 4 kω é de 8. Se fôsseos realizar a edida da ddp sobre este resistor usando o voltíetro que nós, teoricaente, ontaos ( 9940 Ω), a leitura seria de aproiadaente 7,4. Esta diferença ocorre eataente pelo fato da resistência interna do nosso voltíetro não ser uito rande. Para entenderos elhor, vaos calcular a diferença de potencial entre os pontos c e d do circuito da fiura 3.4, quando inserios o voltíetro. A resistência equivalente ( eq ) entre os pontos c e d é: 1 eq kω Para 9940 Ω e 60 Ω, teos: eq 2,9 kω Portanto, a corrente () que passa pelo circuito, após a introdução do voltíetro, será: eq + 1 kω ,56 A Loo, -3 cd eq , ,42 - oltíetro, aperíetro e ohíetro: princípios de funcionaento - 18

4 Laboratório de Física Para u voltíetro co resistência interna de 10 MΩ, a ddp edida entre os pontos c e d seria de 8. sso porque a resistência interna, neste caso, é uito aior que a resistência de onde se está edindo a ddp. Ua aneira de avaliaros a influência do voltíetro nas edidas é conhecendo-se sua sensibilidade, que é definida coo a relação entre a resistência total do instruento e o valor do fundo de escala. S T F Para o nosso eeplo, a resistência total do voltíetro é de 10 kω e o valor de fundo de escala é iual a 10. Então, S 1000 Ω/. Este valor é uito baio, pois, eralente, o valor para os voltíetros é da orde de dezenas de kω/ Aperíetro Consiste basicaente de u alvanôetro associado e paralelo co u resistor p. Este resistor desvia parte da corrente a ser edida, fazendo co que apenas ua parcela desta passe pelo alvanôetro. Nu caso particular, se p, então a corrente a ser edida será o dobro de. A fiura 3.5 representa u aperíetro siplificado. A p p B p Fi epresentação siplificada de u aperíetro. A e B são as pontas de prova. Para o cálculo de p, para outros valores de, aplicaos a lei dos nós e das alhas para o esquea anterior (fi. 3.5). - (1) (lei dos nós) + P P p P p (2) (lei das alhas) P Assi, substituindo 1 e 2, teos: p (Equação 3.2) - Na epressão acia todos os parâetros são conhecidos, sendo o cálculo de p iediato. Para eeplificar, considereos que dispoos de u alvanôetro co as seuintes características: 1 A e 60 Ω e que desejaos convertê-lo e u aperíetro que eça no áio 2 A. Usando a equação 3.2, obteos p 60 Ω. A raduação da nova escala será, então, coo ostrada na fiura oltíetro, aperíetro e ohíetro: princípios de funcionaento - 19

5 Laboratório de Física Fi Escala de u aperíetro co fundo de escala de 2 A. Coo o aperíetro é colocado e série no circuito é necessário que sua resistência interna seja be pequena e relação às resistências desse circuito Ohíetro O ohíetro é constituído essencialente por u alvanôetro e série co ua pilha e u resistor variável v, coo ostra a fi v A B Fi epresentação siplificada de u ohíetro. A e B são as pontas de prova. O resistor variável v é usado para fazer o ajuste do zero. Quando as pontas A e B estivere e curto-circuito, a defleão do ponteiro deve ser a áia possível e o ponteiro indicará zero oh, pois não há resistência entre esses terinais. Considerando os terinais A e B e curto-circuito, teos: ( + ) (Equação 3.3) Considerando aora a resistência entre os terinais A e B, teos: ( + + ) v (Equação 3.4) Das equações 3.3 e 3.4, obteos: (Equação 3.5) Ou ainda: (Equação 3.6) + Pela equação 3.6, pode-se perceber que a escala do ohíetro não é linear. - oltíetro, aperíetro e ohíetro: princípios de funcionaento - 20

6 3.6 - Parte eperiental Laboratório de Física Material necessário Fonte ajustável de tensão contínua; Multíetro diital; Galvanôetro; Potenciôetro; Placa de bornes; esistores Procediento eperiental oltíetro 1. Projete u voltíetro para edir de 0 a 10, a partir do alvanôetro apresentado. Para isto, deterine o valor de e onte o circuito confore a fiura 3.2; 2. Monte o circuito apresentado na fiura 3.8 e eça as tensões sobre os resistores 1, 2 e 3 co o voltíetro que você construiu e, e seuida, co ultíetro padrão; 470 Ω 1 kω 4, 7 kω Fi Circuito elétrico. 3. Eplique porque a ddp edida co o voltíetro que você construiu diinui quando coparado co as edidas feitas co o voltíetro do laboratório, à edida que a resistência auenta Aperíetro 1. Projete u aperíetro para edir 5 A, a partir do alvanôetro fornecido; 2. nsira o aperíetro no circuito ostrado na fiura 3.8 e eça o valor da corrente. Faça o eso utilizando o ultíetro padrão. Discuta o resultado Ohíetro 1. Projete u ohíetro utilizando o alvanôetro fornecido, coo ostra a fiura 3.7; 2. Curto-circuite os terinais A e B e varie o potenciôetro para que o alvanôetro atinja o valor de fundo de escala (ajuste do zero); 3. Para resistores de diferentes valores eça a corrente (corrente no alvanôetro); 4. Meça os valores das resistências utilizando o ultíetro padrão; 5. Calcule os valores das resistências a partir da edida de corrente e copare co os valores obtidos co o ultíetro padrão. - oltíetro, aperíetro e ohíetro: princípios de funcionaento - 21

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