AULA #4 Laboratório de Medidas Elétricas

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. 1.2. Teoria Geradores elétricos são dispositivos que matêm 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 1

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 resitência interna causa uma queda da tensão de saída,quando este estiveralimentando 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 E= r R r R L. I E=rI R L. I L 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. 2

A caracterfstica 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 I CC = E 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 r=tg α= ΔV ΔI e I CC = E 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

r=tg α= ΔV ΔI r= 9 6 1 =3 I CC = E r = 9 3 =3 A Equação da reta: V =9 3I 1.3. Material Experimental Fonte variável Gerador de funções Resistores: 100 Ω a 1 kω 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 o valor. 4

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 (ohm) Teórico R (ohm) Medido Erro (%) I (ma) Medida V (V) Teórica V (V) Medida Erro (%) 1000 910 820 680 620 470 390 300 200 100 Observação: O resistor de 100 Ω está simulando a resistência interna do gerador, pois uma fonte estabilizada, dentro de uma faixa de corrente, comporta-se como um gerador ideal. 4 Configure o gerador de funções para uma senoide de 5V de amplitude e freqüência de 1 khz. Em seguida, conecte um resistor de 50 ohms nos seus terminais (veja a fugura abaixo) e meça no osciloscópio a amplitude da tensão sobre o resistor. Qual o valor teórico para essa medida e qual o valor real? Explique! 5 Com o gerador configurado como no item anterior, monte o circuito da figura a seguir. Em seguida, meça no osciloscópio a amplitude da tensão sobre o resistor R2. Qual o valor teórico para essa medida e qual o valor real? Explique! 5

1.5. 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 observa-se 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. Calculando-se a resistência no ponto A e no ponto B da figura 2.1, temos respectivamente: R A = V A I A e R B = V B I 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, vamos 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 (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 = 8 100.I Determinando dois pontos da reta, temos: 1º ponto: I = 0 V = 8 2º ponto: V = 0 I = 8 =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 = 100. 30x10-3 V R = 3 V 9

2.3. Material Experimental Fonte variável Lâmpada: 12V Resistor: 220 ohms 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. 3 Monte o circuito abaixo: figura 2.7. Circuito 10

4 Meça e anote no quadro abaixo, a corrente no circuito, a tensão no resistor e a tensão no bipolo. 2.6. Questões 1- Com os valores obitidos 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 4. 3 - 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 11