Física Experimental B Turma G

Transcrição

1 Grupo de Supercondutividade e Magnetismo Física Experimental B Turma G Prof. Dr. Maycon Motta São Carlos-SP, Brasil, 2015

2 Prof. Dr. Maycon Motta Site: Informações sobre o curso; Apostila (também na Fast Cópias e na Aquarela); Material de Apoio.

3 Experimento I Associação de Resistores Série Paralelo Relatórios: De medidas (p. I-1, I-2) no final da aula (1 por grupo); Completo a ser entregue na próxima semana (??/08).

4 Conceitos fundamentais... Num condutor metálico, muitos elétrons estão fracamente ligados a seus átomos de origem. Elétrons livres: movem-se aleatoriamente no material. real Corrente elétrica: movimento organizado de cargas elétricas num condutor mediante a aplicação de uma ddp entre dois pontos do condutor. Unidades de medida: ddp: Volt (V) corrente: Ampère (A) - + V

5 Conceitos fundamentais... Resistência elétrica: transformação de parte da energia cinética dos elétrons em energia térmica, que aquece o material Resistores: sua principal função é converter energia elétrica. R = U I ou U = RI A constante de proporcionalidade R é a resistência elétrica desse resistor e é medida em Ohm(Ω). Aplicações: [A] Resistor de núcleo de carbono; [B] Representação gráfica de resistor no circuito.

6 Resistores Podem ter a resistência fixas ou variável; Os resistores fixos podem ser encontrados com diferentes valores e formas; Os resistores axiais tem seus valores definidos através de um código de cores; Os resistores SMD tem seus valores indicados por um código alfanumérico; Todos os resistores possuem uma tolerância.

7 Resistores variáveis Resistores variáveis são chamados de potenciômetros; Possuem um valor fixo entre dois terminais.

8 Resistores fixos Quatro tipos: (i) Resistor de Carbono; (ii) Resistor de Fio; (iii) Resistor de Filme de Carbono; (iv) Resistor de Filme Metálico; A escolha do resistor vai depender da aplicação: valor da resistência, tamanho, forma, potência, tolerância, máxima voltagem de operação, etc.

9 Resistores de Carbono Elemento de Resistência: mistura de pó de carbono com um pó isolante; Elemento de resistência é solidificado utilizando uma cola especial e depois é moldado no formato desejado; Esse processo é feito utilizando uma atmosfera de hidrogênio ou nitrogênio à 1400ºC. Especificações: Faixa de Resistência: de 2Ω até 20MΩ Tolerância: ±5% até ±10% Potência: de 0.125W até 2W Voltagem de operação: de 125V até 800V Temperatura de Operação: de -55ºC até 150ºC Utilização: Geral

10 Resistores de fio Elemento de Resistência: Fio; O fio é enrolado em um núcleo cerâmico; O tipo de fio é escolhido levando em conta a resistividade do material; A superfície recebe uma camada protetora para evitar qualquer problema. Especificações: Faixa de Resistência: de 0.1Ω até 1M Ω Tolerância: ±0.1% até ±5% Potência: de 10W até 75W Voltagem de operação: <150V Temperatura de Operação: de 55ºC até 375ºC Utilização: Baixa resistência, alta potência

11 Resistor de Filme de Carbono Elemento de Resistência: Carbono; Uma camada fina de carbono é deposita em cima de um material cerâmico à 1000ºC; Esse processo é feito de forma espiral; Depois são adicionados os terminais e uma proteção externa com as cores. Especificações: Faixa de Resistência: de 1Ώ até 10MΏ Tolerância: ±1% até ±5% Potência: 5W Voltagem de operação: 500V Utilização: Utilizado em sistemas de precisão

12 Resistor de Filme Metálico Elemento de Resistência: Níquel Elemento de resistência é um filme fino de Ni depositado em um substrato cerâmico cilíndrico; Especificações: Faixa de Resistência: de 0.5Ώ até 10kΏ Tolerância: ±2% até ±3% Potência: 5W Voltagem de operação: 300V Temperatura de Operação: de -40ºC até 150ºC Utilização: Instrumentos eletrônicos

13 Código de cores

14 Código de cores: Exercícios (a) (b)

15 Resistores de diferentes potências Exemplos: 2 Watts 1 Watt 1 Watt 0.5 Watt 0.25 Watt 0.25 Watt

16 Valores padrões para resistores Electronic Industries Association (EIA) standard E24: Padrão de Resistores para resistores com tolerância de 5%) M Ohms (M é um número inteiro, positivo ou negativo) Para outros padrões:

17 Resistor equivalente Inúmeras vezes tem-se necessidade de um valor de resistência diferente dos valores fornecidos pelos resistores de que dispomos; outras vezes, uma corrente maior do que a que um determinado resistor suporta deve atravessá-lo, o que o danificaria. Nesses casos, deve-se utilizar uma associação de resistores. Em qualquer associação de resistores, denomina-se resistor equivalente o resistor que faria o mesmo que a associação.

18 Associação de resistores Os resistores podem ser associados basicamente de duas formas: série e paralelo. Série Paralelo

19 Leis de Kirchhoff Lei das malhas: A soma algébrica das variações de potencial encontradas de uma malha única em um circuito deve ser nula. V = 0 Lei dos nós: A soma das correntes que entram em qualquer nó tem que ser igual a soma das correntes que saem desse nó. I = 0

20 Associação em série Todos os resistores são percorridos pela mesma corrente elétrica. Pela regra das malhas: V = V 1 + V 2 +V V N A resistência equivalente é igual à soma das resistências associadas: R eq = R 1 + R 2 +R R N As potências elétricas dissipadas são diretamente proporcionais às respectivas resistências.

21 Associação em série Vários resistores estão associados em série, quando são ligados um em seguida do outro.

22 Associação em paralelo Todos os resistores estão submetidos à mesma ddp. A intensidade de corrente total é igual à soma das intensidades de correntes nos resistores associados: I = I 1 + I 2 +I I N O inverso da resistência equivalente é igual à soma dos inversos das resistências associadas: 1 R eq = 1 R R R R N As potências elétricas dissipadas são inversamente proporcionais às respectivas resistências.

23 Associação em paralelo Vários resistores estão associados em paralelo, quando são ligados pelos terminais.

24 Medidores elétricos Galvanômetro

25 Voltímetro Um voltímetro comum pode ser construído a partir de um galvanômetro de bobina móvel, uma chave seletora e um conjunto de resistores; através da chave seletora os resistores são convenientemente colocados em série (para aumentar) com a resistência interna do galvanômetro. As diferentes combinações permitem o uso de diferentes escalas. Voltímetro ideal: resistência elétrica infinita

26 Amperímetro O amperímetro também utiliza um galvanômetro, uma chave seletora e resistores, só que, nesse caso, a chave seletora coloca os resistores em paralelo com a resistência interna do galvanômetro; esses resistores são denominados comumente de "shunts" (desvios), permitindo dessa maneira a leitura de correntes elétricas maiores do que aquelas lidas exclusivamente pelo galvanômetro que normalmente são pequenas. e Amperímetro ideal: resistência elétrica nula

27 Multímetros Analógicos

28 Multímetros Digitais

29 Representação do multímetro

30 Multímetro digital Display digital de 3 1/2 dígitos: Número de contagens : d 1/2 d 3 d 2 d 1 Funções: Medição de tensão contínua (DC - V) Medição de tensão alternada (AC - V) Medição de corrente contínua (DC - A) Medição de resistência (Ω) Possivelmente: Teste de continuidade, testes de diodos e transistores,...

31 Multímetro digital - Exemplo DC 1000 V 200 V 20 V 2 V 200 mv Resolução 1V (Variação do dígito menos significativo)

32 Multímetro digital - Exemplo DC 1000 V 200 V 20 V 2 V 200 mv Resolução 0.1V (Variação do dígito menos significativo)

33 Multímetro digital - Exemplo DC 1000 V 200 V 20 V 2 V 200 mv Resolução 0.01V (Variação do dígito menos significativo)

34 Multímetro digital - Exemplo DC 1000 V 200 V 20 V 2 V 200 mv Resolução 0.001V (Variação do dígito menos significativo)

35 Multímetro digital - Exemplo Mostrador com dígito 1 à esquerda: valor acima da escala 1. DC 1000 V 200 V 20 V 2 V 200 mv Resolução V (Variação do dígito menos significativo)

36 Multímetro digital - Incerteza Em geral, no caso de um instrumento digital, não há erros em relação à leitura; Entretanto fatores como a sensibilidade do instrumento, desvios e tolerâncias dos componentes internos, ruído eletrônico, etc. limitam a precisão da medição; Um multímetro digital tem as especificações fornecidas pelo fabricante que determinam o limite de erro (L) para uma medida, da forma: L Exemplo: ±(0,5% + 2D) b Dígito a% Leitura ± (0,5% do valor da leitura + duas vezes o di gito menos significativo da escala)

37 Multímetro digital - Incerteza Escala Resolução Precisão O Manual do multímetro diz que: 200 mv 0.1 mv 2 V 1 mv 20 V 10 mv ±(0.5% + 3D) 200 V 100 mv 1000 V 1 V ±(1% + 5D) No nosso exemplo anterior: Arredondamentos? Escala Valor Medido Precisão 200 mv V 1,572 V ±(0,5%.1, ,001) V = ±(0, ,003) = ±0,01086 V 20 V 1,57 V ±(0,5%.1, ,01) V = ±(0, ,03) = ±0,03785 V 200 V 1,6 V ±(0,5%.1, ,1) V = ±(0, ,3) = ±0,308 V 1000 V 2 V ±(1% ) V = ±(0,02 + 5) = ±5,02 V

38 Arredondamentos No nosso exemplo anterior: Valor medido Incerteza Valor arredondado Indicação correta ,572 V ±0,01086 V (1,57±0,01) V (157±1).10-2 V 1,57 V ±0,03785 V (1,57±0,04) V (157±4).10-2 V 1,6 V ±0,308 V (1,6±0,3) V (16±3).10-1 V 2 V ±5,02 V (2±5) V (2±5) V

39 Propagação da incerteza Para uma medição indireta, a incerteza padrão combinada (u c ) desta grandeza indireta dependerá das incertezas das outras medidas. Forma geral:

40 Protoboard

41 Exemplo de montagem Como montar esse circuito?

42 Medidas V 2 I 2 R 2 I T R 1 I 3 R 3 V 3 Corrente: SÉRIE Tensão: PARALELO V T Cuidado: o amperímetro não deve ser colocado em paralelo com o circuito, pois sua resistência é pequena o que fará com que a corrente no circuito seja desviada para o instrumento de medida. Isso acarretará na queima do amperímetro.

43 Objetivos da aula de hoje... Estudar ambas as associações de resistores e confrontaremos as estimativas teóricas e os dados experimentais. Fique atento a s incertezas e a forma de realização das medidas. Anote os dados e procedimentos em seu caderno/apostila. Então, mãos à obra!