Física Experimental Aula

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1 Física Experimental Aula

2 Aula_2 Instrumentos de medida I Modelos de multímetros Física Experimental - V. E. 2

3 T0 - Instrumentos de medida I Multímetro : A Amperímetro V - Voltímetro Física Experimental - V. E. 3

4 Voltímetro Características do Galvanómetro (R=500 Ω, I = 1 ma) Resistências em série Física Experimental - V. E. 4

5 Escalas: 1 V 10 V V V Física Experimental - V. E. 5

6 Impacto do voltímetro sobre o circuito Voltímetro em paralelo Física Experimental - V. E. 6

7 Amperímetro Física Experimental - V. E. 7

8 Amperímetro Modelo simplificado Física Experimental - V. E. 8

9 Amperímetro Escalas Shunt! Física Experimental - V. E. 9

10 Escalas -Amperímetro Resistências de shunt - várias escalas Física Experimental - V. E. 10

11 Cálculo correntes (Lei das malhas) Física Experimental - V. E. 11

12 Trabalhos experimentais Impacto do amperímetro Física Experimental - V. E. 12

13 Impacto do Amperímetro Física Experimental - V. E. 13

14 T0- Ligação esquemática Voltímetro (em paralelo) com a resistência R do circuito Amperímetro (em série) com a resistência R do circuito Física Experimental - V. E. 14

15 Análise das experiências: #1-#2 Exp#1 Determinação experimental de R Física Experimental - V. E. 15

16 TO Gerador de tensão (ajustável) Rever : EXCEL (ajuste linear) DC, ajustável Física Experimental - V. E. 16

17 Díodo de sinal e de um LED Trabalho 1 -Curva i - v de um díodo de sinal e de um LED Física Experimental - V. E. 17

18 Estudo do díodo Gráfico I-V diodo Física Experimental - V. E. 18

19 Diodo rectificador meia onda A C D C Física Experimental - V. E. 19

20 Lógica Booleana Porta lógica : AND (E) Lógica positiva Se (ambos) A e B : 12 V Se A ou B : massa Z = 12V Z = 0.6 V Física Experimental - V. E. 20

21 Díodo Zener (regulador tensão) Física Experimental - V. E. 21

22 Díodos de vários tipos Díodos de potência, de sinal, Zener, LED, Exemplos Física Experimental - V. E. 22

23 Símbolos para díodos de uso corrente Sinal Led Zener Fotodíodo Física Experimental - V. E. 23

24 Díodo Zener Ligação com polariação inversa Príncipio de funcionamento de um díodo Zener Física Experimental - V. E. 24

25 Curva característica de um díodo ZENER Interpretação Física Experimental - V. E. 25

26 Corrente de díodo I D qv I = I ( e B 1) Diodo S D kt I V S D : corrente de saturação : D. d. p. nas extremidades do díodo q : c arga do electrão T : Temperatura absoluta K : cons tante de Boltzmann B o T = 300 K, t = 27 C Física Experimental - V. E. 26

27 T0- Ligação esquemática - QUESTÃO -Voltímetro (em paralelo) com a resistência de carga R do circuito ou R+A - Amperímetro (em série) com a resistência de carga R do circuito R :Resistência externa do circuito R R V A :Resistência do voltímetro :Resistência do amperímetro Física Experimental - V. E. 27

28 Questão proposta : (Fig.anterior (esq) : Q2 - HoLab1-B.pdf) Resposta: V M = VM I A I A Equipamento ( R L + R R L A Divindo ambos os membros por : I ou seja : = Resistencia ) : Lei de Ohm + R A Resist _ Amperimetro ou ainda : VM I A Equipamento A R quando : R << R Resistencia L A L Física Experimental - V. E. 28

29 INTRODUÇÃO Electrónica Digital e analógica V AB : diferença de potencial U U = qv V = q Potencial de referência : Terra / massa / V = 0 t dq I = I dt = dq Q= I ( t) dt t 0 0 Potência : P = V I Trabalho c arg a VI= carg a tempo Q Física Experimental - V. E. 29

30 INTRODUÇÃO Electrónica Digital e analógica Resistência-Condensador-Indutor Física proporciona as bases para a electrónica Re sistência : VAB = RI 1 2 Condensador : Q = C V UC = CV 2 di 1 2 Indutor : VL = L U L = Li dt 2 Trabalho c arg a Potência : P = V I = carg a tempo V 2 2 PR = VI = = I R dissipada como calor R Leis de Kirchhoff : 1. ( V ) = 0 : A soma das quedas tensão ao longo de uma malha é zero. Malhas i 2. i = i : A soma a lg ébrica das correntes num nó énula in out Física Experimental - V. E. 30

31 INTRODUÇÃO Electrónica Digital e analógica Aplicação das leis de Kirchhoff Suficiente para obter equações algébricas que permitem a solução das incógnitas para qualquer circuito Simplificação Associação Série Paralelo Física Experimental - V. E. 31

32 INTRODUÇÃO Electrónica Digital e analógica Todavia o trabalho pode ser reduzido através das associações Re sistências Série : R + R +... Percorridas pela mesma corrente I Paralelo : = V1 =... = Vn; I1... I R R R R eq Condensadores : Série : = + Q1 = Q2 ; V1 V 2 comc 1 C 2 C C C eq Paralelo : C = C + C V = V, Q Q com C C eq n Indutores : Série :( semelhante à das resistências) Paralelo :( semelhante à das resistências n Física Experimental - V. E. 32

33 INTRODUÇÃO Electrónica Digital e analógica Divisor de tensão: Divisor corrente Vout = I R R V R = R1+ R2 V in I = I1+ I2 V Iout = R2 I IR = R 2 R1+ R2 I IR = R 1 R + R Física Experimental - V. E. 33

34 INTRODUÇÃO Electrónica Digital e analógica Limitações Resistência de carga : R L Se R >> R R R 2 L eq L V :diminui Resultado aproximado out Se R << R R R 2 L eq 2 V : nao int roduz erro! out Física Experimental - V. E. 34

35 INTRODUÇÃO Electrónica Digital e analógica Condensador Processo de carga Q V + + IR = 0: Lei das malhas C dq Q R = V dt C dq 1 = dt Eq. diferencial variáveis separadas Q CV RC V RC Qt () = CV(1 e ) t Física Experimental - V. E. 35

36 INTRODUÇÃO Electrónica Condensador descarga (posição 2) Q + IR = 0: Lei das malhas C dq I = : Q dim inui, enquanto I flui dt dq Q R = dt C Q= Q0 e ou t RC Q I t e comτ RC cons te empo RC t 0 RC () = = ( tan det ) Física Experimental - V. E. 36

37 Curva de carga e de descarga do condensador Representação gráfica Física Experimental - V. E. 37

38 Indutor : Processo de carga Processo de carga di V fonte + L + IR = 0: Lei das malhas dt LdI V = I Rdt R di R = dt Eq. diferencial var iáveis separadas V I L R Rt V L It () = (1 e ) R CONCLUSÂO : formalmente aná loga à exp ressão V ( t) no processo de c arg a C Física Experimental - V. E. 38

39 Indutor: Tensão aos seus terminais : V L Tensão aos terminais do indutor (bobina) V L = di L dt L di dt = Ve R t L Física Experimental - V. E. 39

40 AC Corrente/tensão alternada Fontes: baterias, pilhas secas, (limitações!) dφb ε = dt dφ = BdS. B ε = ε m sinω d t Escovas i = I sin( ω t φ) d Física Experimental - V. E. 40

41 Baterias NiMH Nickel/Metal Hydride (NiMH) Ánodo: Terras raras ou ligas de niquel com muitos metais Cátodo: Hidróxido de Ni Electrólito: Hidróxido de potássio Aplicações: Telemóveis, ferramentas, laptops, veículos eléctricos, Física Experimental - V. E. 41

42 Bateria : NiMH Reacções eléctrodos Ánodo MH + OH- > M + H2O + e-0.83 Cátodo NiOOH + H2O + e- > Ni(OH)2 + OH-0.52 GLOBAL NiOOH + MH > Ni(OH)2 + M+1.35 Os ánodos usados nestas células são complexos de vários metais tais como : V, Ti, Zr, Ni, Cr, Co, e (!) Fe Física Experimental - V. E. 42

43 Bateria : NiMH Local Anodo Catodo Reações químicas MH + OH- > M + H2O +e NiOOH + H2O + e- > Ni(OH)2 +OH Tensão GLOBAL NiOOH + MH > Ni(OH)2 + M 1,35 V Física Experimental - V. E. 43

44 Bateria NiMH - NiCd O electrólico destas baterias é típicamente 6 M KOH ~1.2 V/célula Preço: NiMH vs NiCd, 30% mais capacidade, densidade de potência mais elevada (teoricamente 50% mais, pratica/ 25%) Física Experimental - V. E. 44

45 Ião Li Células de ião-li Ánodo: Composto de carbono, grafite Cátodo: Óxido de lítio Electrólito: Aplicações: Laptops, telemóveis, veículos eléctricos Física Experimental - V. E. 45

46 Bateria de iões de lítio Células de lítio que usam metal de litio tem varias desvantagens quando usadas como fontes secundárias (recarregáveis). Por esta razão várias químicas foram desenvolvidas usando compostos de lítio em vez do metal de lítio. São genericamente designadas por Baterias de iões de lítio Cátodo consiste de camadas de grafite (grafite), com lítio intercalado. Recorreu-se também a óxidos de metal com lítio( Ex.: LiCoO2, NiNi0.3Co0.7O2, LiNiO2, LiV2O5, LiV6O13, LiMn4O9, LiMn2O4, LiNiO0.2CoO Física Experimental - V. E. 46

47 Baterias : Ião - Li Electrólito+ membrana Electrólitos: LiPF6 Mais recente: LiBF4. Membranas necessárias para separar electrões dos iões (polietileno) Física Experimental - V. E. 47

48 BATERIAS Curvas características de descarga V (t) de várias baterias. Li - ião Física Experimental - V. E. 48

49 Bateria da nova geração Lítio Polímero Ver : Física Experimental - V. E. 49

50 Trabalho 1 Instrumentos de medida I Multímetro -Traçado de curvas características V-I Guião experimental Instrumentos reais (Laboratório) Obtenção de resultados experimentais Análise dos resultados Análise de erros Registo obrigatório no Caderno (Logbook) Física Experimental - V. E. 50

51 Trabalho 2 Instrumentos de medida II Osciloscópio Hammeg Análise de sinais variáveis no tempo Manual Física Experimental - V. E. 51

52 Gerador de sinais 200 MHz gerador de sinais, por ex Física Experimental - V. E. 52

53 Trabalho 2 Instrumentos de medida II Gerador de sinais e osciloscópio Experiência 1 Caracterização de sinais variáveis no tempo Interpretação das curvas experimentais Experiência 2 Análise de sinais. Circuitos básicos simples. Generalização da lei de Ohm. Impedância complexa Experiência 3 Circuito RL. Outros Física Experimental - V. E. 53

54 Bibliografia 1. Electronics, Circuits & Devices, Ralph J. Smith,N.Y. (3th.Ed.), Practical Physics, G.L.Squires, Cambridge University Press (4 th Ed.),Cap.13, Guia de trabalhos experimentais de Física Experimental ( ), Coordenação de J. Maia Alves 4. Fundamentos de electromagnetismo, Conceitos fundamentais e Aplicações (2004), V. Esteves 5. The art of electronics, P. Horowitz and Hill, Cambridge University Press, Cap 1 e Apêndice A (1982) Física Experimental - V. E. 54