E01 MEDIDAS DE TENSÃO E CORRENTE COM O MULTÍMETRO

Transcrição

1 E01 MEDIDAS DE TENSÃO E CORRENTE COM O MULTÍMETRO OBJETIVOS 1) Medidas de resistência e tensão em corrente continua e corrente alternada com um multímetro digital; 2) Medidas de corrente continua e alternada utilizando um multímetro digital. MATERIAIS A figura 1 apresenta as fotografias com os respectivos nomes dos equipamentos e materiais que serão utilizados nesta experiência. Multímetro Digital Minipa Fonte variável 0 10 Vcc 0-10 Vca Gerador de Função Pilhas Secas Transformador 110/6 Volts Resistores Quadro de conexões Fios Multímetro analógico Figura 1: Materiais necessários para a realização desta experiência. ATENÇÃO PARA OS SEGUINTES AVISOS: 1) Antes de realizarem os procedimentos experimentais, é OBRIGATÓRIO que vocês leiam a introdução do presente roteiro; 2) Todos os resultados (teórico e/ou experimental) apresentados no relatório devem OBRIGATÓRIAMENTE conter: Seus respectivos desvios e/ou incertezas, quando gráfico colocar barra de erro; Discussão apresentando comparações entre valores teóricos (esperados) e valores experimentais (medidos), comparações entre diferentes métodos de obtenção, possíveis fontes de erros, etc; Conclusões.

2 INTRODUÇÃO Amperímetros, voltímetros e ohmímetros são instrumentos fundamentais em medidas elétricas. Estes instrumentos podem ser analógicos ou digitais. Além disso, podem ser conjugados em apenas um equipamento, quando é denominado multímetro. Nesta pratica vamos aprender a usar um multímetro digital (veja Figura ) e nas práticas posteriores vamos aprender também a operar multímetros analógicos e sensores que podem ser conectados a um computador pela interface Science Workshop 500 da PASCO. Funcionamento Básico do Voltímetro, do Amperímetro e do Ohmímetro Um grande número de instrumentos de medidas elétricas utiliza um galvanômetro como dispositivo básico de medida e de leitura. Um tipo de galvanômetro muito usado é o de quadro móvel chamado galvanômetro de, cujas partes estão esquematicamente desenhadas na Figura 2. Figura 2: Galvanometro de. Neste galvanômetro, a corrente elétrica passa pelas molas de suspensão e circula pela bobina, que se acha enrolada num quadro móvel. A passagem da corrente elétrica através da bobina, colocada num campo magnético de um imã permanente, faz aparecer forças que atuam sobre a mesma e que se traduzem por um binário. Tal binário gira a bobina e o ponteiro, solidário à mesma, até uma posição em que o momento do binário defletor é contrabalançado pelo momento das forças restauradoras das molas helicoidais acopladas à bobina. O momento magnético defletor é proporcional à corrente que circula pela bobina móvel. O núcleo cilíndrico de ferro, colocado no centro da bobina móvel, faz com que as linhas de campo magnético sejam radiais e perpendiculares à corrente pela bobina.

3 Note que o galvanômetro exige, para seu funcionamento, a passagem de corrente pela bobina. A partir de galvanômetros constroem-se amperímetros e voltímetros e ohmímetros. Faremos aqui uma breve descrição dos princípios básicos de funcionamento destes equipamentos analógicos, ou seja, baseados em galvanômetros. O principio básico para os equipamentos digitais são idênticos aos equipamentos analógicos, porém neste caso o galvanômetro é substituído por um circuito eletrônico relativamente complexo. O Voltímetro é um instrumento que mede a diferença de potencial (tensão ou voltagem) entre dois pontos de um circuito elétrico. A medida será ideal se o instrumento tiver resistência interna infinita, isto é, se ele constituir de um CIRCUITO ABERTO entre os pontos do circuito em que se encontra instalado, pois somente nesta condição é que as correntes e tensões do circuito não serão alteradas pelo instrumento. O Amperímetro é um dispositivo que mede correntes elétricas. A medida será ideal se o instrumento não tiver resistência interna, isto é, se ele constituir um CURTO CIRCUITO entre os pontos do circuito em que se encontra instalado, pois somente nesta condição é que as correntes e tensões do circuito não serão alteradas pelo medidor. Deve-se, no entanto, observar que na prática não existe instrumentos ideais, e para que o instrumento responda à grandeza que se deseja medir, é necessário que o sistema medido forneça ao medidor a energia necessária para medir o sinal em questão. No caso dos instrumentos analógicos necessita-se de tal energia para deslocar suas partes móveis como bobina, ponteiro e outras. No caso de instrumentos digitais esta energia é necessária para alimentar os circuitos eletrônicos de medida. O processo de medida, portanto, provoca uma perturbação na grandeza avaliada. Convém notar que isto não ocorre apenas com circuitos elétricos, isto ocorre sempre que efetuamos uma medida em um sistema independente da sua natureza. Ou seja, é impossível fazer uma medida sobre um sistema sem que o mesmo seja perturbado. Uma vez que não se pode evitar a modificação introduzida pelo instrumento de medida, procura-se minimizá-la. Na Figura 3 apresentamos um esquema básico de um voltímetro comum que utiliza um galvanômetro tipo quadro móvel. Através de uma chave seletora, o galvanômetro é posto em série com resistores internos convenientemente dimensionados denominados resistências multiplicadoras permitindo desse modo, que se varie a escala de leitura de tensão. Figura 3: Voltímetro construído a partir de galvanômetro de resistência interna. O amperímetro comum, esquematizado na Figura 4, utiliza igualmente um galvanômetro tipo quadro móvel, somente que a chave seletora, neste caso, põe em paralelo

4 com o galvanômetro, resistores convenientemente dimensionados denominados (do inglês significa colocar uma parte em paralelo com outra) permitindo desse modo que se varie a escala de leitura de corrente. Figura 4: Amperímetro construído a partir de um galvanômetro. O Ohmímetro comum, esquematizado na Figura 5, utiliza um galvanômetro de quadro móvel como voltímetro de resistência interna elevada. Desprezando a corrente drenada pelo voltímetro a queda de tensão em R é aproximadamente a leitura. Ou seja,. A lei das tensões de Kirchhoff no laço formado por, e é dada por: v + Ri+ Ri= 0 1.1" s d mas, a corrente # é dada por, VR V i= 1.2" R R e, portanto, o valor da resistência desconhecida é dado por: vs Rd = R 1.3" V 1 Colocando as pontas de prova em curto verificamos o valor da tensão da bateria. Os ohmímetros analógicos usam um resistor ajustável $ para fazer o ajuste da escala. Em cada escala selecionada colocam-se as pontas de prova em curto, o valor de. igual à leitura máxima do voltímetro e a escala é graduada em ohms, em relação a esse valor máximo. È importante notar que segundo a equação para obtenção de, a escala é não linear e também é inversa ao valor de, ou seja, quanto maior, menor a leitura. Como não existem voltímetros ideais, os ohmímetros práticos possuem circuitos para compensar essa aproximação, porém o princípio básico de funcionamento do mesmo não é alterado. Um mesmo instrumento pode ser combinado com chaves comutadoras e circuitos para executar as funções de voltímetro, amperímetro e ohmímetro. É o conhecido multímetro, de amplo uso em equipamentos eletrônicos.

5 R v R Rd V + v s Figura 5: Circuito básico do ohmímetro. A leitura ou indicação de um medidor está sujeita a erros sistemáticos e a incertezas acidentais. 1 Erros sistemáticos: a- Absolutos: mau ajuste de zero, ponteiro dobrado; b- Relativos ou percentuais: imã enfraquecido, resistência alterada. 2 Incertezas acidentais: a- Absolutas: paralaxe, atrito mecânico, desbalanço do sistema móvel; b- Relativas: variação de resistência com a temperatura, alteração do campo magnético devido à proximidade de ferros, etc. Em princípio, os erros sistemáticos podem ser reduzidos a valores desprezíveis por aferição com um padrão. As incertezas acidentais são de difícil eliminação porque variam de leitura para leitura. Por exemplo, o efeito do atrito mecânico depende do sentido do último movimento do ponteiro e é, portanto, aleatório. O resíduo dos erros sistemáticos e as incertezas são somados a incerteza total. As parcelas absolutas da incerteza total têm importância relativamente maior nas leituras baixas, sendo desejável utilizar medidor na escala adequada, ou seja, a que permite leitura acima de meia escala.. Multímetro Digital Alguns cuidados são fundamentais na operação com o multímetro. Todos eles devem ser seguidos à risca para não inutilizar o aparelho... Observe sempre a posição da chave seletora giratória. Ela deverá estar indicando o tipo de medida que você quer realizar.

6 ..' As pontas de prova deverão estar corretamente instaladas. Uma das pontas de prova deverá estar ligada à entrada COM (de comum) e deverá ser conectada a um neutro, negativo ou num ponto de potencial mais baixo que a outra ponta. A outra ponta de prova deverá estar ligada na opção desejada, ou seja: '( A, para medidas de correntes na faixa de Amperes, *AC AC, para medidas de corrente na faixa de mili Ampéres V, Ω, Hz,, para medidas de voltagem, resistência, frequência e teste de diodos, respectivamente. Figura 6: Multímetro digital Minipa. ATENÇÃO: Observe que a chave seletora giratória deverá estar apontando para uma posição de acordo com essa ponta de prova...- Cuidado especial deve ser tomado ao medirmos correntes. A resistência interna nessa função é muito baixa e, portanto NUNCA deverá ser conectado sem antes analisar o circuito e estimar o valor da corrente. Em especial, NUNCA deverá ser ligado diretamente aos terminais de uma fonte, (mesmo que seja uma pilha), mas sempre com uma resistência em série de valor conveniente. Qualquer descuido nesse caso causará no mínimo a queima do fusível interno e muito provavelmente a queima do aparelho, tornando-o impossível de ser recuperado.... Especial cuidado deverá ser observado na posição de medida de corrente em */. Nesta opção, nosso multímetro admite apenas correntes da ordem de mili-amperes ". es superiores causarão, no mínimo, a queima do fusível interno.

7 .' Leitura do código de cores de resistores. Antes de medirmos as resistências, vamos aprender como ler o código de cores, através do qual o fabricante informa o valor nominal das resistências. Identifique cada um dos resistores R Ω, R Ω e R Ω do conjunto de resistores fornecido, usando o código de cores apresentado na Figura 7. " 9" Figura 7: " Tabela de código de cores para resistores, 9" como medir a resistência a partir do código de cores para resistor com 3 barras de cores e :" exemplo de leitura de resistores utilizando o código de cores. :"

8 .- MEDIDA DE RESISTÊNCIA COM MULTÍMETRO. Para medirmos resistências o meio mais rápido é utilizando o multímetro. CUIDADOS: Sempre que for utilizar um multímetro, tenha certeza de estar usando: a) Função correta (se ele está preparado para medir aquilo que desejamos medir). b) Escala conveniente (se o que vamos medir não vai "estourar" a escala porque o fundo de escala é muito pequeno ou se não é demasiadamente grande para uma boa leitura). LEMBRE SEMPRE: Qualquer descuido poderá produzir danos IRREPARÁVEIS; Tenha sempre o cuidado de usar a polaridade correta; Nunca altere a função do multímetro com o mesmo conectado a um circuito... MEDIDAS DE TENSÃO CONTÍNUA (; << ou ; =< ) E TENSÃO ALTERNADA (; <> ou ; >< ) CUIDADOS: Sempre que usar um MULTÍMETRO na função de voltímetro verifique se ele está ajustado para corrente contínua?? ; 5" ou alternada?/ ou /? ;~" de acordo com o que pretende medir. O modelo Minipa ET-2082C possui um botão no alto à direita indicado que permite mudar de um tipo para outro. Note que em corrente alternada aparecerá no lado esquerdo do display a indicação /?, porém em corrente contínua não haverá nenhuma indicação. Use sempre a POLARIDADE CORRETA isto é, o terminal negativo COM " deverá estar ligado num potencial inferior ao qual está ligado o terminal positivo V, Ω, Hz, E ". Escolha da escala adequada para a leitura: Quando se conhece o valor máximo da tensão a ser medida a escolha é óbvia. Quando não se conhece o valor máximo, devemos colocar a chave seletora na posição de maior fundo de escala e ir reduzindo até a escala conveniente. Desligue sempre a fonte de tensão ou corrente antes de modificar o circuito.

9 .F Utilização do Gerador de Funções. Este equipamento é capaz de fornecer tensões com diferentes formas de ondas (senoidal, triangular e quadrada) A seguir apresentaremos resumidamente as instruções para sua utilização. 1- Ligue o gerador de funções (botão na parte traseira do aparelho). 2- Ajuste o botão DADJ de forma que a marca branca fique bem no meio de Min e Max (isto é, apontando verticalmente para cima). Ajuste de simetria da onda. 3- Observe se algum dos botões ATT está pressionado. Se estiver, aperte o para que fique inativo isto é, para fora. Este botão atenua em 90% a intensidade do sinal. 4- Aperte o botão WAVE e veja se o dígito mais significativo (mais à esquerda) está marcando 1. Caso contrário aperte seguidamente até que ele marque 1 que indica onda senoidal. Esse dígito indica a forma de onda segundo a tabela abaixo. 1 Senoidal 2 Quadrada 3 Triangular 5- O botão RANGE é utilizado para escolher a faixa de frequência do sinal conforme tabela abaixo. A indicação e mostrada no digito menos significativo (mais à direita do primeiro display do equipamento). Para mudar o seu valor apenas pressione o botão Range até obter o número que corresponda à faixa de freqüência desejada. O ajuste a frequência desejada é obtido girando o botão de ajuste de frequência FADJ. Indicação Faixa 1 0,2 IJ a 2 IJ 2 2 IJ a 20 IJ 3 20 IJ a 200 IJ IJ a 2 6IJ 5 2 6IJ a 20 6IJ 6 206IJ a 200 6IJ 7 200IJ a 2 LIJ 6- Após ajustar a frequência desejada pressione o botão RUN para os dados ajustados sejam efetivados. 7- O ajuste a amplitude do sinal, tensão pico a pico ( MM entre 0 e 10 MM ) é obtida através do botão AADJ.. Utilização da Fonte de Tensão Continua??" e Alternada /?" Variável 1- Antes de ligar a fonte de tensão, certifique-se SEMPRE que o botão de ajuste de tensão esteja na sua posição de mínimo, ou seja, todo voltado para a esquerda. Esta fonte possui uma capacidade de corrente relativamente elevada (5A ou mais), o

10 suficiente para QUEIMAR componentes e equipamentos eletrônicos que não tiverem corretamente ligados a ela. 2- Só ajuste o valor da tensão (girar para a direita) após ter certeza de que o seu circuito e/ou o multímetro estejam corretamente montado e/ou ajustados para a função e escala adequada, respectivamente. 3- Após a utilização da fonte, antes de desligá-la, o botão de ajuste de tensão deverá ser colocado novamente na posição de mínima tensão (todo voltado para a esquerda). Nunca forçar o botão de ajuste nos seus extremos (mínimo e máximo), pois isto pode danificar a fonte. ' PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS OBSERVAÇÂO: Antes de qualquer medida, certifique que a função e a escala do multímetro foram ajustadas adequadamente. Caso contrário, o multímetro será danificado. '. Medidas de resistência e tensão. '.. Tabele, usando código de cores, os valores das resistências. Com esses valores calcule e tabele também a resistência total de cada um dos circuitos da Figura 8. Figura 8: Associação de resistores a serem realizadas nesta experiência (a) série; (b) paralelo e (c) série e paralelo. '..' Coloque a chave seletora do multímetro apontando para a região marcada com Ω, uma ponta de prova em COM ", e a outra em Q Ω RS E". Meça e tabele a resistência de cada um dos resistores T 5 UΩ, T ' 5 --(Ω e T - 5 ((Ω do conjunto de resistores fornecido. '..- Monte em sequência os circuitos da Figura 8 no quadro de conexões. Meça e tabele para cada caso as resistências totais das associações usando o multímetro.

11 '... Monte em sequência os circuitos da Figura 9 e meça com o multímetro as tensões indicadas e tabele os valores encontrados. Figura 9: Circuito para a determinação das tensões (força eletromotriz - FEMs) nas pilhas secas. " Uma pilha; 9" duas pilhas em série e :" duas pilhas em paralelo. CUIDADO! Certifique-se que a função voltímetro do multímetro está ajustada para AC. Medida das tensões de uma fonte CD variável '..F Meça o valor máximo e mínimo da tensão alternada da fonte de tensão ajustável. Para isto, meça as tensões nos bornes indicados com ( V,F Q CD da fonte. O ajuste de tensão de sempre ser feito lentamente girando o botão no sentido horário. Medida das tensões CD na saída de um transformador '.. Conecte o transformador fornecido à rede elétrica. Meça e anote a tensão (AC) de saída. Medida das tensões de saída do gerador de funções '..V Meça a tensão AC máxima e mínima do gerador ajustado em onda senoidal com frequência de 60IJ. - Medidas de correntes elcom o multímetro Medida de corrente contínua -. Identifique os resistores T 5 WΩ, T ' 5 -YΩ e T - 5 'VΩ usando o código de cores conforme o item.. Meça e anote na tabela 3.1 o valor das suas resistências utilizando um multímetro na escala conveniente.

12 Figura 10: Associação de resistores para a medida da corrente contínua a serem realizadas nesta experiência " série; 9" paralelo e :" série e paralelo. A corrente deve ser medida nos pontos marcados com 1, 2 e 3. -.' Para as associações, 9 e : da Figura 10, calcule a intensidade de corrente em cada um dos pontos indicados supondo uma tensão de 2,0V [[. Complete a tabela 3.2. Estes cálculos permitem calcular a potência dissipada e saber se os resistores utilizados comportam tais potências, assim como auxiliar na escolha da escala do amperímetro a fim de evitar a avaria dos mesmos. Inicialmente, usando o multímetro analógico ajuste a fonte de tensão AC/DC (CA/CC) para fornecer uma tensão contínua de 2,0 V [[. No multímetro digital, estabeleça a escala conveniente (seletor giratório apontando para \A e tipo de corrente ajustado para dc através do botão AC/DC). -.- Monte e meça as correntes nos circuitos da Figura 10. Complete a tabela 3.2. ATENÇÃO! Use o multímetro analógico para ajustar eventual variação da tensão após conectar a fonte ao circuito. -.. Nos casos dos circuitos 9 e : da Figura 10 faça os cálculos com os valores nominais e depois verifique se as medidas realizadas satisfazem a relação # 4 5 # 7 E # 2. Medida de corrente alternada Ajuste a fonte de tensão para fornecer uma tensão de 2,0 V ][. -.F Meça e tabele as correntes nos pontos indicados nos circuitos, 9 e : da Figura 11, conforme feito para o caso de corrente contínua. Complete a tabela 3.3.

13 Não se esqueça de selecionar AC através do botão AC/DC e também de verificar se a tensão fornecida pela fonte não variou. Figura 11. Associação de resistores para a medida da corrente alternada a serem realizadas nesta experiência " série, 9" paralelo e :" série e paralelo. A corrente deve ser medida nos pontos marcados com 1, 2 e Nos casos dos circuitos 9 e : da Figura 11 faça os cálculos com os valores nominais e depois verifique se as medidas realizadas satisfazem a relação # 4 5 # 7 E # 2. Tabela 3.1 es nominais e experimentais das resistências utilizadas no experimento. Resistência Nominal Ω" Experimental Ω" T T ' T - Tabela 3.2 es nominais e experimentais das correntes contínuas obtidas nos pontos indicados dos circuitos da Figura 4. Pontos indicados nos circuitos Nominal circuito > Experimental Nominal Corrente circuito d Experimental Nominal circuito < Experimental

14 Tabela 3.3 es nominais e experimentais das correntes alternadas nos obtidas nos pontos indicados dos circuitos da Figura 5. Pontos indicados nos circuitos Nominal circuito > Experimental Nominal Corrente circuito d Experimental Nominal circuito < Experimental ATENÇÃO! APÓS O TÉRMINO DO EXPERIMENTO: Retirar todos os arquivos gravados no computador do Lab.; Desligar todos os equipamentos; Deixar a bancada em ordem e limpa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS: 1. Albert Malvino e David J. Bates. Eletrônica Volume 1, 7 a Edição. McGraw-Hill Interamericana do Brasil Ltda, São Paulo, SP, H. Moysés Nussenzveig, Curso de Física Básica 3 - Eletromagnetismo. 1 a edição, Editora Edgard Blucher, São Paulo, SP, Antonio M. V. Cipelli e Waldir J. Sandrini. Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos, 6ª Edição, Editora Érica, São Paulo, SP, 1982.