Laboratório de Física U 1/6 Comportamento xi de Dispositivos Elétricos Objetivos: Estudar o comportamento corrente x tensão de dispositivos elétricos; Opera fonte de corrente, tensão regulada. Material: 2 multímetros (1 como mperímetro e outro como oltímetro); 1 resistor de centena de Ohms (até 560Ω); 1 protoboard; 1 lâmpada incandescente. Parte 1: Lâmpada Incandescente Uma lâmpada incandescente é composta por um fio metálico, geralmente de tungstênio, protegido por um bulbo de vidro, imerso em uma atmosfera pobre em oxigênio ou vácuo. Pela passagem de uma corrente elétrica o fio de tungstênio incandesce, sem queimar pela falta do oxigênio, produzindo luz e calor. Por conta deste princípio de funcionamento, lâmpadas incandescente geralmente produzem uma grande quantidade de calor, geralmente em torno de 95% da energia dissipada, enquanto que apenas 5% da energia é convertida em luz. Montagem Para este experimento será necessário monitorar o comportamento da corrente sobre a aplicação de um potencial elétrico sobre a lâmpada. Para isto monte o circuito abaixo, utilizando a fonte de alimentação DC, dois cabos banana jacaré e a lâmpada, Figura 1a. Lâmpada Lâmpada (a) (b) Figura 1: Montagem (a) inicial e com a (b) adição do mperímetro e do oltímetro Em seguida adicione um mperímetro e um oltímetro para monitorar a corrente e a tensão sobre a lâmpada, Figura 1b. Experimento s lâmpadas disponíveis no laboratório possuem potências nominais de 2 a 4W, sob tensão de operação de 12. Estas características nominais geralmente vem escritas na base metálica da lâmpada. Se necessário removaa da base para fazer a leitura e preencha os dados abaixo:
Laboratório de Física U 2/6 alores Nominais alores Calculados Escalas Potência (W): Corrente (m) Corrente Tensão (): Resistência (Ω) Tensão Calcule a Corrente e a Resistência da lâmpada e determine as escalas de Tensão e Corrente antes de ligar os equipamentos. Embora a tensão nominal da lâmpada seja de 12, neste experimento a intenção é estressar os dispositivos, que neste caso será feito com a aplicação de até 20 sobre a lâmpada. Isto não oferece risco algum a não ser por queimaduras, caso toque o bulbo de vidro da lâmpada. intensão é intensificar os efeitos térmicos no filamento, alterando a resistência do tungstênio com o aumento da sua temperatura 1. Iniciando com a tensão em 0, aumente seu valor de um em um olt até aproximadamente 20, sempre anotando os valores da corrente e da tensão na tabela abaixo. tenção: Durante todo o experimento apenas aumente o controle de tensão/corrente e jamais o abaixe para ajustar a algum valor desejado. Caso a tensão/corrente passe do valor desejado, anoteo e prossiga o experimento. () I ( ) () I ( ) () I ( ) Parte 2: Resistor O próximo dispositivo será um resistor de centenas de Ohms 2. Repita a montagem da Figura 1, substituindo a lâmpada pelo resistor, no entanto os valores de tensão e corrente são diferentes dos utilizados para a lâmpada. Em geral este resistor não comporta uma tensão de 20 em seus terminais. Por isto, antes de iniciar o experimento, calcule a tensão e a corrente máxima para o resistor, supondo uma dissipação de uma potência máxima de 0,50W, sobre o resistor. note seus valores na tabela a seguir: 1 eja descrição no final do roteiro, seção Relatório. 2 Use um resistor de 100Ω até 560Ω, para poder operar com tensões inferiores a 20.
Laboratório de Física U 3/6 alores Nominais alores Calculados Escalas Potência (W): 0,50 3 Corrente (m) Corrente Resistência (Ω): Tensão () Tensão tenção: Sobre o resistor será queimado duas vezes a potência nominal (de 0,25W), o que fará com ele aqueça muito, podendo causar queimaduras. Portanto evite tocar o resistor durante e após o experimento. Em seguida, zere o valor da tensão na fonte e selecione as escalas de corrente e tensão. Escolha um intervalo de tensão que lhe permita realizar de 10 a 20 medidas e proceda com as medidas como no experimento anterior, anotando as medias na tabela a seguir: () I ( ) () I ( ) () I ( ) Parte 3: Diodo O diodo é um dispositivo semicondutor, com um comportamento muito distinto sobre diferentes polarizações e por isto, neste último ensaio, será realizados em dois experimentos: polarização direta e reversa. Figura 2 apresenta a representação gráfica do diodo, empregada em circuitos elétricos. nodo Catodo Símbolo Dispositivo Físico Figura 2: Representação gráfica do diodo, acima, e dispositivo, abaixo Como mostrado na Figura 2, na simbologia do diodo, os seus terminais são distinguidos por nodo e Catodo. Na polarização direta a corrente (fluxo de cargas positivas) entra pelo nodo e sai pelo Catodo, enquanto que na polarização reversa a corrente entra pelo Catodo e força a passagem para o nodo. 3 potência nominal destes resistores é de 0,25W, no entanto será queimado o dobro, 0,50W neste experimento.
Laboratório de Física U 4/6 Polarização Reversa: polarização reversa é o procedimento mais simples e por isto será o primeiro experimento a ser realizado. Na polarização reversa a corrente através do diodo será muito pequena e por isto deve ser usado a menor escala no amperímetro. Coloque o diodo no circuito, polarizado conforme a Figura 3a e realize os procedimentos a seguir: I Diodo Diodo (a) (b) Figura 3: Montagem do circuito na (a) polarização reversa e (b) direta. Faça três a cinco medidas da corrente e da tensão, no intervalo de 0 a 1, preenchendo a tabela a seguir: () I ( ) note as tenções nesta tabela como sendo valores negativos. Em seguida aumente a tensão reversa até 20 e anote o comportamento observado: Remova um dos terminais do voltímetro e anote o observado: Polarização Direta Para a polarização direta não basta apenas inverter o diodo. Para este experimento será necessário operar a fonte no modo corrente. Para isto execute as operações a seguir: remova um dos cabos da fonte e em seguida ajuste a sua tensão em aproximadamente 2,5; em seguida zere o ajuste de corrente até que a luz vermelha da fonte acenda. pós isto
Laboratório de Física U 5/6 o display de tensão/corrente deve ir para zero, ou próximo disto. Este comportamento é esperado; altere a escala de corrente, no amperímetro, para 10 (não se esqueça de mudar o pino banana para o terminal de 10); coloque o voltímetro na escala de 2000m; reconecte os cabos da fonte de alimentação. Feito isto o sistema está ponto para operar no modo corrente. tenção: Deste momento em diante os ajustes de tensão não devem ser alterados. Faça as medidas executando os procedimentos a seguir: aumente o controle de corrente lentamente até que alguma corrente seja registrada no amperímetro (tipicamente 0,01); neste momento anote o valor da corrente e da tensão; aumente o controle de corrente até que seja medido 0,10 e anote novamente a tensão e a corrente; repita o processo, aumentando a corrente para 0,20, 0,30,, até em torno de 1,1. Os incrementos na corrente de 0,10 podem não ser facilmente ajustado, no entanto não é necessário que sejam exatamente 0,10. Caso passe do valor desejado, não tente ajustar a corrente abaixandoa, anote o seu valor ajustado e continue o experimento. Preencha a tabela a seguir com as medidas. () I ( ) () I ( ) () I ( ) Relatório No dispositivo de fio metálico, é esperado que a resistividade aumente com a temperatura. Para pequenas variações de temperatura, este aumento é praticamente linear, sendo dado pela equação: ρ ρ 0 =ρ 0 α (T T 0 ) ( Fundamentos da Física Eletromagnetismo, Halliday & Resnick, 8ª ed., pág 149, eq. 2617), onde ρ 0 é a resistividade a 0K, T 0 a temperatura inicial e α uma constante empírica. Supondo que a Temperatura aumente linearmente com a corrente elétrica, na forma: T =γ i T 0
Laboratório de Física U 6/6 Mostre que a tensão, em função da corrente, é expresso por um polinômio de 2ª ordem. (i)=r 0 ir 0 α γ i 2 onde R 0 é a resistência a corrente muito pequenas, α e γ são duas constantes que dependem das características do material. Formulário: ρ ρ 0 =ρ 0 α (T T 0 ) R= ρ L T =γ i T 0 =R i P= i=r i 2 = 2 R Resistividade em função da temperatura (aproximação em 1ª ordem) Resistência em função da resistividade aproximação da dependência da temperatura com a corrente (aproximação em 1ª ordem) Lei de Ohm Definição de Potência e Potência em resistores Composições: R(T )=R 0 (1 α T 0 )R 0 αt R(i)=R 0 R 0 α γi R 0 = ρ 0 L (i)=r 0 ir 0 α γ i 2 Resistência em função da temperatura (aproximação em 1ª ordem) Resistência em função da corrente (aproximação em 1ª ordem) Resistência para correntes muito pequenas ( i 0 ) Tensão em função da corrente para resistores não Ôhmicos