Introdução às Medidas em Física 8 a Aula *

Transcrição

1 Introdução às Medidas em Física 8 a Aula * Marcia Takagui Ed. Ala 1 * Baseada em Suaide/ Munhoz 2006 sala 216 ramal

2 Experiência : Curvas Características parte 1! Objetivos: Medidas de grandezas elétricas: Curvas características de elementos resistivos; Utilização de um multímetro; Influência do aparelho medidor no resultado da medida; Análise de dados: Análise Gráfica; Comparação com um modelo. 2

3 Corrente elétrica! Define-se a corrente elétrica que atravessa um condutor qualquer como sendo a quantidade de carga que atravessa uma secção transversal de área unitária desse condutor por unidade de tempo i Δq = lim = Δt 0 Δt dq dt! Unidade no SI: Ampere. 1 A = 1 C/s 3

4 esistência elétrica de um material! Corrente elétrica Elétrons livres se movendo em um condutor Colisão com outros elétrons e átomos do material Perda de energia por atrito aquecimento esistência à movimentação das cargas! esistência elétrica = i Se é constante resistor ohmico 4

5 oteiro desse experimento! Parte 1 (essa aula) Medir a resistência elétrica de um material usando diferentes métodos = i! Parte 2 (próxima aula) Utilizando dois elementos resistivos diferentes, verificar se ambos se comportam (ou não) como resistores ohmicos 5

6 Como medir eletricidade?! Muitas técnicas Balança de correntes Mede a força entre dois fios utilizando uma balança mecânica Balança eletrostática Mede a carga entre dois objetos utilizando uma balança mecânica Amperímetros/voltímetros Instrumentos utilizados para medir correntes e tensões elétricas Muito utilizado em situações práticas do dia-a-dia 6

7 Multímetro! Instrumento para medida de tensão, corrente e resistência;! Normalmente, sua peça central é um detector sensível à intensidade de corrente;! A origem do multímetro é um aparelho chamado galvanômetro; 7

8 O Galvanômetro é a base de tudo! Galvanômetro Inventado por William Sturgeon em 1836 Nome em homenagem a Luigi Galvani É um detector sensível à corrente através da interação entre a corrente elétrica em uma bobina e um campo magnético Torque proporcional à corrente elétrica r F r τ bob bob r r = il B v r = 2r F bob Corrente máxima fixa r = ia r B G 8

9 O Galvanômetro é a base de tudo! Como utilizar um galvanômetro para medir correntes e tensões elétricas Faz-se circuitos simples de forma que a corrente elétrica que passa pelo galvanômetro seja proporcional à corrente ou tensão elétrica que queremos medir Ajusta-se a escala de modo a converter a corrente no galvanômetro para a grandeza medida 9

10 Como utilizar um galvanômetro para medir corrente?! Se a corrente no circuito for menor que a que o galvanômetro suporta, basta conectá-lo ao circuito! E se for maior Desvia-se parte da corrente i G i < i 1 S i < i 2 i = i + i

11 G O Amperímetro! É um galvanômetro acoplado a vários resistores em paralelo A escolha do resistor determina o fundo de escala (corrente máxima) que pode ser medida! É sempre montado em série ao elemento do qual se quer medir a corrente S1 S2 S3 11

12 Como utilizar um galvanômetro para medir tensão elétrica?! Desvia-se parte da corrente do circuito para o galvanômetro = i! Como medir tensões que desviem correntes acima do limite do galvanômetro? Aumentar a resistência do galvanômetro de modo a limitar a corrente desviada i S1 = ( + ) i G s1 G elemento de um circuito 12

13 O oltímetro S1! É um galvanômetro acoplado a vários resistores em série A escolha do resistor determina o fundo de escala (tensão elétrica máxima) que pode ser medida. O instrumento faz a conta ( = i) automaticamente! É sempre montado em paralelo ao elemento do qual se quer medir a tensão S2 S3 13

14 Uma consequência importante! oltímetros e amperímetros possuem resistência! oltímetros e amperímetros funcionam através do desvio de um pouco de corrente para o instrumento! oltímetros e amperímetros MODIFICAM as tensões e correntes em um circuito. Eles alteram as medidas er apostila para detalhes 14

15 Medindo resistências! Utilizando um circuito elétrico simples Mede-se a tensão elétrica sobre o resistor Mede-se a corrente que flui sobre o mesmo Calcula-se = /i i 15

16 A Na prática! Utiliza-se um voltímetro para medir a tensão no resistor! E um amperímetro para medir a corrente no resistor! Duas opções de circuito elétrico Qual é melhor? A 16

17 Cuidado!!!! Amperímetros tem baixa resistência e entram em série no circuito. oltímetros tem alta resistência e entram em paralelo.! O que acontece se você confundir as chaves de função e inserir um amperímetro em paralelo??? (puff...) 17

18 Qual é a incerteza do voltímetro e do amperímetro?! Olhar o manual do instrumento! Depende da escala e da função utilizada Cada escala e função possui uma incerteza distinta! Em geral, é fornecida com dois termos, um em porcentagem e outro em dígitos Ex: 0,2% + 3D O que isso significa? 18

19 0,2% + 3D. O que é isso?! 0,2% Porcentagem do valor medido Ex: valor medido: 2,040 Incerteza: 0,2 * 2,040 / 100 = 0,004! 3D Três unidades na última casa decimal da medida Ex: valor medido: 2,040 2,040 Incerteza: 0,003! Incerteza total da medida Soma linear (superestimando) 19

20 Atividades! Cada equipe receberá dois multímetros e três resistores. Nesta parte o objetivo será determinar as resistências de 3 maneiras diferentes: (1) pela medida direta usando a função ohmímetro do multímetro, (2) pela medida de e I usando o circuito 1, e (3) pela medida de e I utilizando o circuito 2. 20

21 Atividades! Para evitar a queima dos multímetros e resistores, vamos antes calcular a COENTE MÁXIMA suportada por cada resistor: ( ) Pot máx (W) Pot segura (W) I I máx máx 1 5 2, ,5 1,6A 1,6 230mA 10, mA 22 6,8M 0,1 0,05 85 A

22 Atividades! Após a explicação do professor sobre o manuseio dos multímetros, utilize um dos multímetros na função ohmímetro para medir as resistências fornecidas. Anote todos os algarismos significativos do display do multímetro (o zero à direita é significativo).! Anote todas as fórmulas de incerteza de que irá precisar (resistência, corrente contínua e voltagem contínua).! Determine as incertezas das resistências medidas pela fórmula do manual e represente estes valores usando a notação (valor ± incerteza) unidade, com o número adequado de algarismos significativos. 22

23 A Atividades! Montar o circuito 1 ao lado = 6,8 MΩ! Sabendo que poderá (?) aplicar 30 no circuito, calcule a corrente esperada e coloque o amperímetro e o voltímetro nas escalas adequadas. Só agora pode ligar a fonte e aplicar os 30 no resistor. Medir tensão e corrente (incertezas no manual) Calcular a resistência elétrica através de = /I, e sua incerteza por propagação de erros. O resultado é compatível com o valor nominal? E com a medida direta pelo ohmímetro?! epetir tudo com o circuito Ω A Ω 23

24 O que aconteceu?! A resistência obtida foi a mesma com os dois circuitos?! Qual é o valor mais correto?! Como o instrumento de medida influenciou o resultado? 24

25 A Circuito 1! O Amperímetro possui resistência interna esistência, por construção, muito pequena Provoca queda de tensão = + A A i = i = i i + i A medido = = = A + A Se A << A resistência medida é aproximadamente igual a 25

26 Circuito 2! O Amperímetro possui resistência interna esistência, por construção, muito pequena Provoca queda de tensão = i = i + i medido = = < = + medido i i + i i A i i Se >> A resistência medida é aproximadamente igual a 26

27 Conclusões! Dependendo do valor da resistência elétrica a ser estudada, um circuito é mais adequado que o outro Para altas resistências, o circuito 1 é mais adequado que o circuito 2, pois >> A e medido = medido A A A = + medido 27

28 A Atividades! Montar o circuito 1 ao lado = 1Ω! Qual a corrente máx permitida? Calcule a voltagem no resistor de 1 com esta corrente. Coloque o amperímetro e o voltímetro nas escalas adequadas. Só agora ligar a fonte e ajustar a voltagem monitorando a corrente Medir tensão e corrente (incertezas no manual) Calcular a resistência elétrica através de = /i O resultado é compatível com o valor nominal?! epetir tudo com o circuito A Ω Ω 28

29 Conclusões! Um circuito é mais adequado que o outro Para baixas resistências, o circuito 2 é mais adequado que o circuito 1, pois << e medido. = medido A A A = + medido 29

30 A Atividades! Montar o circuito 1 ao lado = 100 Ω! Qual a corrente máx permitida? Calcule a voltagem no resistor de 100 com esta corrente. Coloque o amperímetro e o voltímetro nas escalas adequadas. Só agora ligar a fonte e ajustar a voltagem monitorando a corrente Medir tensão e corrente (incertezas no manual) Calcular a resistência elétrica através de = /i O resultado é compatível com o valor nominal?! epetir tudo com o circuito Ω A Ω 30

31 Comentários finais! ocê notou alguma diferença entre os dois circuitos para o resistor de 100 Ω?! Como você pode, a partir dos dados obtidos nestes experimentos, determinar as resistências do voltímetro e amperímetro? 31