AULA #4 Laboratório de Medidas Elétricas

Transcrição

1 AULA #4 Laboratório de Medidas Elétricas 1. Experimento 1 Geradores Elétricos 1.1. Objetivos Determinar, experimentalmente, a resistência interna, a força eletromotriz e a corrente de curto-circuito de um gerador Teoria Geradores elétricos são dispositivos que mantêm entre seus terminais uma diferença de potencial, obtida a partir de uma conversão de outro tipo de energia em energia elétrica. Essa conversão pode ser de várias formas, destacando-se os geradores que transformam energia mecânica, química e térmica em energia elétrica, denominados respectivamente de geradores eletromecânicos, eletroquímicos e eletrotérmicos. Como exemplos de geradores eletroquímicos temos as pilhas e baterias, que a partir de uma reação química, separam as cargas elétricas positivas das negativas, provocando o aparecimento de uma tensão elétrica entre dois terminais denominados pólos. Como geradores eletromecânicos temos: os dínamos e os alternadores, que a partir de um movimento mecânico geram respectivamente energia elétrica contínua e alternada. Como geradores termoelétricos temos o par-termoelétrico onde 2 metais diferentes recebem calor e, proporcionalmente geram uma tensão entre seus terminais. Um gerador elétrico alimentando uma carga deve fornecer tensão e corrente que esta exigir. Portanto, na realidade, o gerador fornece tensão e corrente. O gerador ideal é aquele que fornece uma tensão constante, denominada de Força Eletromotriz (E), qualquer que seja a corrente exigida pela carga. Seu símbolo e sua curva característica, tensão em função da corrente, são mostrados na Figura 1.1. Figura 1.1. (a) Gerador Ideal; (b) Curva característica de um gerador ideal

2 O gerador real irá perder energia internamente, e, portanto, a tensão de saída não será constante, sendo atenuada com o aumento da corrente exigida pela carga. Podemos representar essa perda por uma resistência interna (r), e conseqüentemente, o gerador real como um gerador ideal em série com esta resistência, conforme mostra a Figura 1.2. Figura 1.2 Gerador Real. Do circuito equivalente ao gerador real, observamos que a resistência interna causa uma queda da tensão de saída, quando este estiver alimentando uma carga. Essa situação é mostrada na Figura 1.3. Figura 1.3 Gerador real alimentando uma carga Aplicando a Lei de Ohm podemos escrever: I E r + = E ( r + RL ). I R L = E = ri + RL. I Onde: R L I = V V = E ri equação do gerador real Da equação obtemos a curva característica do gerador real, que é vista na Figura 1.4. Figura 1.4 Característica de um gerador real Pela curva, notamos que, ao aumentarmos o valor da corrente, a tensão diminui e quando esta atingir o valor zero teremos um valor de corrente que é denominada de corrente de curto-circuito (Ice), pois nessas condições o gerador encontra-se curto-circuitado

3 A característica completa é mostrada na Figura 1.5. Figura 1.5 Característica completa de um gerador real Na condição de curto-circuito, temos que: V = E ri 0 = E ri CC E I CC = r A corrente de curto-circuito bem como a resistência interna do gerador deve ser obtida experimentalmente, ou seja, levantando-se a curva característica do gerador e extraindo desta, esses dois parâmetros, conforme mostramos a seguir na Figura 1.6. Figura 1.6. Curva característica de um gerador real V r = tgα = e I E I CC = r Exemplo: O gráfico da Figura 1.7. representa a curva característica de um gerador. Determinar a resistência interna, a corrente de curto-circuito e a equação do gerador. Figura 1.7 Curva característica de um gerador - 3 -

4 V 9 6 r = tgα = r = = 3 Ω I 1 E 9 I CC = = = 3 A r 3 Equação da reta: V = 9 3I 1.3. Material Experimental Fonte variável Resistores: 100 Ω (1 W) e 1 kω Década resistiva Multímetro 1.4. Parte Prática 1 Monte o circuito da Figura 1.8. Ajuste a tensão da fonte para 10V. Figura 1.8 Circuito 2 Meça a tensão entre os pontos A e B com a década desconectada. Anote este valor no quadro abaixo: E (V) 3 Ajuste a resistência da década de acordo com o quadro abaixo. Meça e anote para cada valor, a tensão e a corrente na carga. R (Ω) V (V) I (ma) - 4 -

5 4 Substitua o resistor de 100 Ω por outro de 1 kω e repita os itens 2 e 3, anotando os valores nos quadros abaixo: E (V) R (Ω) V (V) I (ma) Observação: Os resistores de 100 Ω e 1 kω estão simulando a resistência interna do gerador, pois uma fonte estabilizada, dentro de uma faixa de corrente, comportase como um gerador ideal Questões 1 Com os dados obtidos, construa a curva característica do gerador V = f(l) para ambos os casos. 2 - Determine as resistências internas e as correntes de curto-circuito através das curvas. 3- Escreva as equações dos geradores. 4- Determine a equação do gerador da Figura 1.9, sabendo-se que, estando a chave S na posição 1, o voltímetro indica 9 V e o miliamperímetro 600 ma, e quando na posição 2, o voltímetro indica 9,6 V e o miliamperímetro 480 ma. Figura 1.9. Circuito 5 - Um gerador em vazio apresenta uma tensão de saída igual a 15 V. Quando ligarmos aos terminais deste, uma lâmpada 6W, ela irá consumir uma corrente de 500 ma. Escreva a equação deste gerador

6 2. Experimento 2 Bipolos Não Ôhmicos 2.1. Objetivos 2.2. Teoria Verificar, experimentalmente, as características dos bipolos não ôhmicos. Denomina-se bipolo, todo elemento que possui dois terminais. Como exemplo, temos o resistor que é um bipolo ôhmico, ou seja, obedece à lei de Ohm. O bipolo não ôhmico é aquele cuja característica não é linear, portanto, possui uma resistência que varia de acordo com o ponto de trabalho. A Figura 2.1 mostra a característica de um bipolo não ôhmico, onde se observa uma atenuação do aumento da corrente para um aumento da tensão, caracterizando a não linearidade. Figura 2.1 Curva característica de um bipolo não ôhmico Como os bipolos não ôhmicos apresentam resistências diferentes a cada ponto de trabalho, devemos determiná-la ponto a ponto, sendo, somente nestes casos, válida a lei de Ohm. Calculando-se a resistência no ponto A e no ponto B da figura 2.1, temos respectivamente: V A R A = e I A V R B = I B B onde: R A é diferente de R B Num circuito, podemos ter bipolos ôhmicos associados aos não ôhmicos, sendo que, para determinarmos as correntes e tensões resultantes da associação, podemos utilizar o método analítico ou o método gráfico. Devido à complexidade matemática do método analítico, iremos optar pelo método gráfico, utilizando a reta de carga do circuito. O método consiste em traçarmos a reta de carga sobre a característica do bipolo não ôhmico e obter, através do ponto de intersecção, o ponto de trabalho do bipolo, no circuito

7 Associando-se um resistor e um bipolo não ôhmico, conforme a Figura 2.2, é possível determinar a reta de carga deste circuito. Figura 2.2 Associação de um bipolo não ôhmico com um resistor Para o circuito podemos escrever: E = V R + V B onde: V R = R. I e V B = E R. I A equação: Vs = E- R.I é linear, isto é, podemos representá-la graficamente por uma reta, denominada reta de carga. Para tanto, precisamos determinar quaisquer dois pontos da reta. Por exemplo, fazendo I = 0, temos V B = E/R (1º ponto da reta) e fazendo V B = 0, temos I = E/R (2º ponto da reta). Transpondo-se estes dois pontos para a característica do bipolo, visto na Figura 2.3, e unindo-os, teremos a reta cruzando com a característica, determinando, assim, o ponto de trabalho do circuito, também denominado ponto quiescente (Q). Figura 2.3 Determinação do ponto de trabalho de um bipolo não ôhmico A partir do ponto Q da Figura 2.3, determinamos o valor da corrente de trabalho (I Q) e da tensão de trabalho (V Q), do bipolo não ôhmico. Como exemplo, vamos associar um resistor a um bipolo não ôhmico, alimentado com uma tensão, conforme mostra a Figura 2.4, e determinar a tensão e a corrente em cada componente do circuito

8 Figura 2.4 Circuito elétrico com um bipolo não ôhmico e sua característica Do circuito, temos: 8 = 100.I + V onde V = I Determinando dois pontos da reta, temos: 1º ponto: I = 0 V = 8 8 2º ponto: V = 0 I = = 800 ma 100 Colocando-se estes dois pontos na curva, podemos traçar a reta de carga, conforme mostra a Figura 2.5. Figura 2.5 Determinação do ponto de trabalho de um bipolo não ôhmico Da Figura 2.5, obtemos o valor da corrente no circuito série e da tensão no bipolo: I Q = 300 ma V Q = 5 V A tensão no resistor pode ser obtida, fazendo-se: V R= E - V Q V R= 8 5 V R = 3 V ou V R= R.I V R= x10-3 V R = 3 V - 8 -

9 2.3. Material Experimental Fonte variável Lâmpada: 12V Resistor: 220Ω Multímetro 2.4. Simbologia 2.5. Parte Prática 1 Monte o circuito da Figura 2.6. Figura 2.6 Circuito 2 Ajuste a tensão da fonte de acordo com o quadro abaixo. Meça e anote o valor da corrente, para cada valor de tensão ajustado. V (V) I (ma) 3 Monte o circuito abaixo: Figura 2.7 Circuito - 9 -

10 4 Meça e anote no quadro abaixo, a corrente no circuito, a tensão no resistor e a tensão no bipolo. I (ma) V (V) Resistor Bipolo 2.6. Questões 1- Com os valores obtidos no quadro do item 2 construa a curva característica do bipolo não ôhmico, I = f(v). 2 - Trace a reta de carga do circuito da Figura 2.7, utilizando a curva obtida na questão anterior. Determine o ponto de trabalho do bipolo e compare com os valores obtidos no item Determine para o circuito da Figura 2.8, o ponto de trabalho do bipolo não ôhmico, dada a sua curva característica. Figura 2.8. Circuito e curva característica