Escola Técnica Liceal Salesiana de S. to António Estoril Física e Química A 11º ano Funcionamento do osciloscópio APSA 3 Um osciloscópio é um aparelho que mostra sinais eléctricos num ecrã. Num osciloscópio tradicional, um feixe de electrões é emitido por um filamento aquecido dentro de um tubo sem ar e bate no ecrã, produzindo aí uma cintilação. A amplitude e o período de um sinal podem medir-se directamente no ecrã do osciloscópio. A amplitude indica a tensão do sinal eléctrico recolhido, pelo que um osciloscópio pode ser utilizado como voltímetro. É possível observar-se simultaneamente dois sinais que entram por canais diferentes, e compararem-se amplitudes, períodos e desfasamentos (atrasos) no tempo. 1 10 5 2 3 4 9.1 6 6 9.2 8 7 12 11 12 1 on/off 2 brilho 3 focagem 4 trigger 5 botão TIME/DIV 6 botões VOLT/DIV 7 conexão canal 1 8 conexão canal 2 9.1/9.2 posição vertical (Y) 10 posição horizontal (X) 11 selector de canal 12 botão selector de corrente No ecrã do osciloscópio, o eixo vertical, designado por Y, representa a diferença de potencial (ou tensão) e o eixo horizontal, designado por X, representa o tempo. O osciloscópio revelou-se um instrumento precioso em todas as áreas da tecnologia. É muito versátil, pois pode medir uma grande variedade de fenómenos. Quando equipado com um conversor (converte uma magnitude física num sinal eléctrico), é capaz de fornecer, por exemplo, c valor da pressão, frequência cardíaca, potência dos sons etc. Página1
No osciloscópio medem-se tensões em circuitos com correntes contínuas (sigla DC, do inglês direct current), ou tensões variáveis no tempo como nos circuitos com corrente alternada (sigla AC, do inglês alternatíng current) usada em nossas casas. Uma fonte de tensão é ligada a um canal do osciloscópio. Devido à tensão aplicada, o feixe de electrões do osciloscópio é puxado para cima ou para baixo. Maior afastamento em relação à linha inicial significa uma maior tensão aplicada. A escala da tensão é controlada por um botão com a indicação VOLTS/DIV, que indica o valor da tensão correspondente à maior divisão da escala vertical do ecrã. Por exemplo, se o botão se encontrar em 10 mv e a deflexão vertical for de 4,2 divisões, a tensão será: tensão = número de divisões na escala vertical x tensão/divisão tensão =4,2 x 10 mv = 42 mv Note que, para se medir uma tensão, a ligação entre a fonte de tensão e o osciloscópio tem de ser feita em paralelo. Como determinar a frequência, f, de um sinal observado no osciloscópio? Após estabilizar um sinal no ecrã, podemos medir um intervalo de tempo a partir da escala horizontal e do botão BASE DE TEMPO do osciloscópio (TIME/DIV), que indica o tempo que o feixe de electrões demora a percorrer a maior divisão da escala horizontal (pode ser expresso em s, ms ou s). O tempo medese da seguinte forma: tempo = número de divisões na escala horizontal x tempo/divisão Por exemplo, se a dois ciclos completos da onda corresponderem 5 divisões na escala horizontal e base de tempo indicar 2 ms/div, o tempo é 5 x 2 ms = 10 ms. Este é o tempo de dois ciclos completos, isto é, dois períodos. Logo, T = 5 ms e f = 200 Hz. A expressão matemática para um sinal sinusoidal observado no ecrã do osciloscópio é dada por: U = U max sen (wt) ou U = U max sen(2 f t) Medição de correntes contínuas e alternadas Ao ligar-se uma pilha ou uma fonte de tensão contínua ao osciloscópio, deve seleccionar-se DC e observa-se que linha luminosa "salta" verticalmente de forma proporcional ao valor da tensão. No caso de se pretender caracterizar uma tensão variável no tempo (corrente alternada), irá surgir, em vez de uma linha horizontal, um linha de forma sinusoidal cuja amplitude corresponde à tensão máxima, Umax.. Por vezes torna-se cómodo medir a tensão pico a pico, Upp, isto é do máximo ao mínimo. O valor da tensão eficaz, Uef, (que seria a medida por um voltímetro) é dada pela expressão: U = ou U = Página2
Questão 1 Considere o sinal que se segue que corresponde a uma corrente alternada. 1- Meça o período e a amplitude e escreva a função matemática para o sinal. 2- Determine o valor da tensão eficaz. Que valor esperaria encontrar se medisse a tensão desta corrente com um voltímetro? Questão 2 O osciloscópio analógico, inventado em 1897 por Ferdinand Braun, é um dos instrumentos de medida mais importantes e versáteis utilizados em Física. Permite estudar um sinal eléctrico e o modo como varia com o tempo. É indispensável em qualquer tipo de laboratório e em situações tão diversas como o diagnóstico médico, a mecânica de automóveis, a prospecção mineral, etc. O elemento básico de um osciloscópio é o tubo de raios catódicos, cuja superfície interna é impregnada de uma substância fluorescente que emite luz quando bombardeada por um feixe de electrões (raios catódicos). O instrumento mecânico ideal para a produção de som com uma única frequência bem definido é o diapasão. O diapasão utilizado pelos músicos para a afinação de instrumentos possui a frequência padrão de 440 Hz, que corresponde à da nota lá da harmónica fundamental da escala média de um piano, mas existem diapasões que produzem sons com valores de frequência diferentes deste. Página3
Pretende-se comparar a frequência do som emitido por um diapasão-padrão (diapasão 1, com frequência f 1 = 440 Hz) com a frequência (próxima) de um outro diapasão (diapasão 2). Para o efeito, dispomos de um osciloscópio e de dois microfones, que estão colocados junto de cada um dos diapasões e suficientemente distantes um do outro. O microfone (M1), próximo do diapasão-padrão (D1), é ligado à entrada Y1 do osciloscópio, sendo o outro microfone (M2) ligado à entrada Y2. Página4
Questão 3 1- Na comunicação verbal a curtas distâncias, as cordas vocais vibram, produzindo, em geral, sons complexos. Relativamente a este tipo de sons, seleccione a opção que completa correctamente a frase seguinte. Os sons produzidos pelas cordas vocais... (A)... provocam o movimento das partículas do ar na direcção perpendicular à sua propagação. (B)... têm uma frequência inferior à frequência de vibração dessas cordas vocais. (C)... podem ser expressos pela função A sin(ω t). (D)... são uma sobreposição de sons harmónicos. 2- Com um microfone ligado a um osciloscópio é possível visualizar as ondas sonoras. Represente na figura a forma aproximada do som AAAAA. Página5
Questão 4 Página6
Questão 5 A expressão seguinte caracteriza um sinal observado no ecrã do osciloscópio: U = 6,5 sen (1 x 10 3 t) (SI) 1- Determine o valor da amplitude máxima do sinal; 2- Determine o valor do período do sinal. 3- Sabendo que a base de tempo foi regulada para 0,5 ms/divisão e a escala vertical para 2 V/divisão, faça um esboço da imagem que é de prever no ecrã do osciloscópio. Página7