FGE2255 Física Experimental para o Instituto de Química. Segundo Semestre de 2013 Experimento 1. Corrente elétrica

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1 FGE2255 Físca Expermental para o Insttuto de Químca Segundo Semestre de 213 Expermento 1 Prof. Dr. Crstano Olvera Ed. Baslo Jafet, Sala 22 crslpo@f.usp.br Corrente elétrca q Defnção de Corrente elétrca q dq lm t t dt q : carga [Coulomb] t : tempo [segundos] : ampère [A = C/s] A relação entre a voltagem e a corrente nduzda é denomnada resstênca do materal. Para um resstor ôhmco essa relação é lnear e a resstênca é a razão entre a voltagem e a corrente R Sendo em volts, em ampères, R é dado em ohms [] Para um resstor não ôhmco essa relação vara em função dos valores de e I aplcados, R R, 1 1

2 Curvas caracterstcas Resstor não Ôhmco Resstor Ôhmco Independente de ser ôhmco ou não, a curva caracterstca, vs. sempre passa pela orgem. Como medr e?? Instrumentos de medção Meddores de tensão, corrente, resstênca: Multímetros Analógcos Dgtas Necessáro saber utlzar estes equpamentos e saber as ncertezas nas meddas. 2

3 E1: Elementos resstvos lneares e não lneares Objetvos: Meddas de grandezas elétrcas: Curvas característcas de elementos resstvos; Utlzação de um multímetro; Análse de dados: Análse Gráfca; Comparação com um modelo. Rotero: Curva característca de um resstor de Carbono Curva característca de uma lâmpada Condutvdade de uma solução eletrolítca Multímetros Medem oltagem, Corrente e Resstênca (alguns modelos medem adconalmente outras grandezas) Chaves ou botões de seleção: Seleconam a função Seleconam o fundo de escala (máxmo valor mensurável) - há modelos com seleção automátca Seleconam o modo - AC ou DC Orfícos de conexão Devem ser seleconados de acordo com a função O orfíco COM é sempre utlzado 5 6 3

4 Multímetros O amperímetro é sempre montado em sére no crcuto, portanto sua resstênca deve ser..?.. O voltímetro é sempre montado em paralelo no crcuto, portanto sua resstênca deve ser? A gerador R Uma consequênca mportante oltímetros e amperímetros possuem resstênca oltímetros e amperímetros funconam através do desvo de um pouco de corrente para o nstrumento oltímetros e amperímetros MODIFICAM as tensões e correntes em um crcuto. Eles alteram as meddas!!! Sendo assm é precso utlzar a melhor confguração para que o nstrumento afete o mínmo possível a medda 7 8 4

5 Medndo resstênca, tensão e corrente Bt Batera R B Ohmmetro oltímetro Amperímetro Ohmímetro X I R Amperímetro voltímetro R A R A X X X R X R 1 X 1 A R R Duas possíves montagens Indcada para resstêncas baxas, quando R<<R Neste caso, 1/R med = 1/R + 1/R 1/R X X Indcada para resstêncas altas, quando R>>R A Neste caso, R med = R + R A R 5

6 Qual é a ncerteza do voltímetro e do amperímetro? Olhar o manual do nstrumento Depende da escala utlzada Cada escala possu uma ncerteza dstnta Em geral, é fornecda com dos termos, um em porcentagem e outro em dígtos Ex:,2% + 3D O que sso sgnfca?,2% + 3D. O que é sso?,2% Porcentagem do valor meddo Ex: valor meddo: 2,4 Incerteza:,2 * 2,4 / 1 =,4 3D Algarsmo 3 na últma casa decmal da medda (do multímetro) Ex: valor meddo: 2,4 24 2,4 Incerteza:,3 Incerteza total da medda Soma lnear (superestmando):,4+,3=,

7 Atvdade: Resstor Meça a resstênca do resstor utlzando o multímetro na função Ohmmetro. Monte o crcuto t conforme a págna 1 da apostla utlzando um resstor de Carbono como elemento resstvo e uma fonte de voltagem contínua Muta atenção com a montagem dos multímetros (não confundr amperímetro com voltímetro!), e escolha o modo DC Obtenha dados de I em função de para 11 valores de voltagem entre -1 e 1 (o zero ncluído), sem esquecer das ncertezas nas meddas Faça um gráfco de versus I (com barras de ncerteza se vsíves na escala usada) e dscuta a valdade da le de Ohm (=RI) Obtenha o valor de R a partr do coefcente angular do gráfco e compare com o valor nomnal e o valor meddo. y a bx a max a mn a 2 b max b mn b 2 alor de (R± R ): Método Gráfco v(cm/s) elocdade de queda de um corpo (a) t (s) 45 v(cm/s) elocdade de queda de um corpo v(cm/s) elocdade de queda de um corpo Reta máxma (b) t (s) v(cm/s) elocdade de queda de um corpo Reta mínma 1 5 Reta Méda (d) 5 (c) t (s) t (s) 7

8 Como comparar os resultados de meddas? É precso levar em consderação sempre a ncerteza de medda. Devemos nos perguntar se as meddas são compatíves ao nvés de guas Por exemplo, 2,74 ±,2 mm é compatível com 2,8 ±,5 mm? 2,7 2,75 2,8 2,85 Exemplo: dâmetro de um fo de cobre Quas meddas são compatíves entre s? Quas meddas são compatíves com o valor nomnal fornecdo pelo fabrcante?

9 Atvdade: Lâmpada Meça a resstênca da lâmpada utlzando o multímetro na função Ohmmetro. Monte o crcuto conforme a págna 1 da apostla utlzando a lâmpada como elemento resstvo e uma fonte de voltagem contínua Muta atenção com a montagem dos multímetros, e escolha o modo DC Faça meddas que permtam verfcar () como a resstênca do flamento vara com a ntensdade da luz; () a não lneardade do elemento Faça um gráfco dos seus dados e dscuta as questões propostas na apostla Atvdade: Condutvdade de água com sal Monte o crcuto utlzando a cuba de plástco com eletrodos e uma fonte de voltagem ALTERNADA Escolha o modo AC nos multímetros erfque que sem água na cuba a corrente é nula Atenção com a lmpeza do sstema (por que?) Coloque 4 ml de água destlada na cuba e determne a resstênca Mantendo a dstânca entre os eletrodos fxa (bem afastados) e a voltagem fxa em ~ 5 AC, adcone pequenas quantdades de solução salgada (1 ml é bom número), homogenze e meça a corrente. Obtenha dados de I em função da concentração para 1 valores de concentração Faça um gráfco de I versus c e responda às questões propostas na apostla. Como você espera que deva ser a relação entre I e c?

10 Propagação de erros no volume adconado de sal No expermento remos adconar frações de 1mL de solução salna. Esta quantdade é obtda utlzando-se um gotero graduado. Como este volume é obtdo vsualmente exste um erro assocado a esta quanta que, como vmos, convencona-se como sendo a metade da menor dvsão da escala. A menor dvsão da escala era.1ml e desta forma =.5mL. Logo, cada fração adconada possu o valor: (1.±.5)mL. Como combnar os erros de multplas l adções desta fração de sal? eja, ao adconar váras frações de 1mL, os erros de cada adção vão se combnando: Fração 1: (1.±.5)mL Total: 1.mL, 1 =.5 ml Fração 2: (1.±.5)mL Total: 2.mL, 2 = (.5^2 +.5^2)^(.5)=.5*2, =.5*2 ml Fração 2: (1.±.5)mL Total: 3.mL, 3 =.5*3 ml... Fração n: (1.±.5)mL Total: n ml, n =.5*n ml Sendo assm, a barra de erro de x, sto é, da fração de sal adconada aumenta com o número de adções. Para quem optar em calcular a concentração molar ao nvés de fazer o gráfco em função do volume de solução salna adconada, calcule os erros utlzando a relação anteror e o erro na concentração molar será dado por : M = C M * ( / ), onde M é o erro para a dada concentração molar, CM é o valor calculado para a concentração molar, é o erro da respectva fração, calculado acma e é o volume total da respecva adção. Note que nesta dervação, por smplcdade, fo desconsderado o erro no volume da áqua destlada da cuba. FOLHA DE DADOS As tabelas com dados coletados devem ser entregues ao professor HOJE!G Grupos que não entregarem a folha não terão os relatóros acetos e fcarão com zero no relatóro. 2 1

11 Relatóro: Entregar até Terça-Fera da próxma semana Sga as orentações propostas na apostla Resumo e Introdução ao problema. Descrção do modelo teórco aplcado ao problema Descrção detalhada do aparato expermental e procedmento de medda. Descrever as formas de análse dos dados. Se realzou propagação de erros, apresentar a demonstração das fórmulas (dúvdas, me procure!!!). Tabelas dos dados prmáros obtdos. Curvas caracterstcas de vs I para o resstor e Lâmpada. Utlze o método gráfco para determnar a resstênca do resstor bem como sua ncerteza. O valor de resstênca obtdo por este método é compatível com os valores nomnas e meddos para o resstor? erfque a valdade, ou não da le de Ohm para o resstor e a lâmpada utlzando argumentos físcos para sua explcação. Gráfco de I vs. add ou I vs. C M para o expermento de condutvdade. Utlze as nformações contdas nestas notas de aula para o calculo do erro nos valores de add ou C M. Dscuta, utlzando argumentos físcos, o comportamento deste gráfco. Dscuta os resultados expermentas. Conclua sobre os resultados expermentas, aplcação do modelo teórco utlzado, lmtações deste modelo. Utlze as questões propostas na apostla como gua para o racocíno. O relatóro deve conter: Resumo, Introdução, Descrção teórca, Descrção expermental, Apresentação dos Resultados, Dscussão, Conclusões e Bblografa. Neste expermento os gráfcos podem ser fetos utlzando papel mlmetrado. Caso deseje, o aluno pode, adconalmente, anexar também gráfcos fetos com planlhas eletrôncas. Págna do curso no Moodle do Stoa 11

12 Mãos a obra!!! 12