Jacinto Arão MatimbeJosé Cuamba Niquice

Virgílio Ernesto Nhamahango

Relatório de Laboratório de Electricidade e magnetismo

Licenciatura em ensino de Física

Universidade Pedagógica

Massinga

2014

Jacinto Arão MatimbeJosé Cuamba Niquice

Virgílio Ernesto Nhamahango

Relatório de Laboratório de Electricidade e magnetismo

Trabalho a apresentar nacadeira de

Electromagnetismo para efeitos

deAvaliação

Supervisora: Maria Lúcia

Universidade Pedagógica

Massinga

2014Índice

Lista de abreviaturas e símbolos

I

IFE

IA A corrente de fundo de escala do amperímetro

IG

IS A sobre corrente

IV

RG A resistência interna do galvanómetro

RIA A resistência interna do amperímetro

IGM

US

UG

UG

G

Lista de Tabelas, figuras e gráficos

Resumo

Os instrumentos eléctricos de medição são largamente utilizados em laboratórios de ensino. Estes equipamentos são utilizados para obtenção de valores de várias grandezasque estão envolvidos num circuito eléctrico. Com os

aparelhos apropriados podemos fazer medidas de corrente eléctrica, voltagem e resistência eléctrica.

A medida de corrente eléctrica

Um aparelho capaz de indicar a presença da corrente eléctrica em um circuito eléctrico é denominado de galvanómetro. O galvanómetro é um aparelho que se aplica para indicar a passagem de pequenas correntes eléctricas por um circuito e para medir com precisão a sua intensidade. O seu funcionamento baseia se em fenómenos magnéticos.

Por ser o coração dos aparelhos analógicos de medição da corrente e de tensão, o galvanómetro pode ser associado a resistores de forma a ser usado como medidor de tensão (voltímetro) ou de corrente (amperímetro), na escala desejada.

Se for possível graduar a escala desse aparelho, ele receberá o nome de amperímetro, o qual possibilita a medição da intensidade da corrente eléctrica. Existe tanto amperímetro analógico, ambos são muito utilizados, no entanto, o digital permite maior precisão nos resultados. Para se medir a corrente em um circuito eléctrico deve se ligar o amperímetro em série com o circuito.

A construção de um amperímetro é feita através de um resistor de baixa resistência denominada shurt (RS) que é colocado em paralelo no galvanómetro.

O analógico, por exemplo, é constituído por um galvanómetroao qual é associado um ponteiro que aponta um valor da corrente numa escala expressa numa superfície plana. Este tipo de amperímetro, permite efectuar leituras de corrente alternada e continua, dado que são percorridos pela mesma corrente, face a criação de pólos ferro- magnéticos que envolvem, e repulsam, a quando da passagem da corrente pelos enrolamentos.

A medida da voltagem

A medida de voltagem é mais conhecida como medida de diferença de potencial. Para realizar a medida de voltagem utilizamos aparelhos denominados de voltímetro. Assim como no caso do amperímetro, existem também voltímetros analógicos e digitais. Ambos são muito utilizados, porem o voltímetro digital possibilita a melhor leitura do valor daddp como também a certeza do que está sendo medido.

Para medir a ddp entre duas extremidades de um resistor, por exemplo, deve se conectar o voltímetro em paralelo com a resistência.

Introdução

O multímetro é um dos instrumento de medida mais usado nas oficinas de Electrónica e de Electricidade, pois, como seu nome sugere, como um só instrumento, é possível efectuar medidas de várias grandezas eléctricas. Outros instrumentoseléctricos de medição mais usados em laboratórios de ensinopor exemplo, são o voltímetro, o amperímetro e o galvanómetro. Estes instrumentos permitem a obtenção de valores de diversas grandezas que estão envolvidas em circuitos eléctricos. Com estes aparelhos podemos medir comprecisão a corrente eléctrica, a tensão, a intensidade, a voltagem e a resistência eléctrica. O tema sugerido neste relatório trata dos instrumentos de medição, os já mencionados no período anterior. Com o presente trabalho, ogrupo pretende apresentar a constituição e o princípio de funcionamento destes três instrumentos de medição eléctrica. O presente relatório obedece uma estrutura que vai desde os elementos pré-textuais até a bibliografia. Noselementos pré-textuais, apresentamos a capa e capa de rosto, a lista de símbolos e abreviaturas, índice e o resumo. Na parte textual, temos a introdução e o desenvolvimentos do tema, no qual falar se a da construção e princípio de funcionamentos dos instrumentos de medição.

E no fim apresentamos as conclusões e a revisão bibliográfica.

Instrumentos de medição (Voltímetro, amperímetro e galvanómetro)

Construção, princípio de funcionamento e fundamento teórico

Amperímetro

Figura 2 – Amperímetro

O amperímetro é um aparelho que serve para medir

a intensidade da corrente elétrica.

A construção do amperímetro é feita através de um resistor

de baixa resistência denominado shunt (Rs) que é colocado

em paralelo no galvanômetro.

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

Estes aparelhos podem ser utilizados em painéis de

controle, onde houver a necessidade da monitoração da

corrente elétrica, seja da alimentação de um motor, de

um transformador ou de uma resistência, etc. Seus relés de

alarme independentes e configuráveis possibilitam a

sinalizacão imediata de variações indesejáveis, ocasionadas

por subcorrente ou sobrecorrente.

PRINCIPAIS APLICAÇÕES

Indicação digital com 3 dígitos - programável pelas

teclas frontais.

Memoria permanente tipo EEPROM.

Fim de escala configurável.

Ponto decimal configurável.

2 saídas configuráveis e independentes para

alarme.

Saída linear para retransmissão de sinal 4 a 20 mA

O amperímetro é um instrumento destinado à medição da

intensidade de corrente.

Nos dias de hoje, podemos encontrar inúmeros fabricantes

deste tipo de aparelhagem, assim como modelos, tipos e para

leitura de diferentes ordens de grandeza.

AC ou DC, digitais ou analógicos, etc.

Amperímetro analógico (clássico) DC

Embora pouco usado nos nossos dias, o amperímetro analógico

é constituído por um

galvanómetro ao qual é associado um ponteiro cujo objectivo

é apontar um valor de corrente numa escala impressa numa

superfície plana.

O funcionamento de um galvanómetro é comparável ao

funcionamento de motores DC na medida em que existe rotação

em torno de eixo por fenómenos de repulsão magnética.

Como a figura mostra, a bobine colocada no eixo que suporta

o ponteiro, aquando da passagem de corrente, tem por missão

criar um campo magnético de forma a ser repelido pelos

ímanes permanentes, indicando assim no seu visor o valor de

corrente que percorre a bobine, portanto o amperímetro.

A mola está colocada de forma a contrariar a rotação total

do eixo permitindo assim ter uma rotação proporcional ao

campo criado pela passagem de corrente.

Amperímetro analógico AC/DC (clássico)

O princípio de funcionamento do amperímetro analógico AC

também se serve do fenómeno de repulsão magnética tal como

no DC.

Este amperímetro também poderá servir para medições de

correntes DC. Relativamente ao amperímetro anteriormente

exposto, possui duas diferenças fundamentais: existe um

enrolamento fixo à volta dum material ferromagnético, e o

enrolamento do eixo envolve ele também um material

ferromagnético, não existindo, portanto, ímanes

permanentes.

Aquando da passagem de corrente pelos enrolamentos, estes

criam pólos no ferromagnético que envolvem, repulsando-se

desta forma tendo em conta que os enrolamentos são

percorridos pela mesma corrente. Daí este tipo de

amperímetro poder efectuar as leituras de corrente

alternada como de contínua.

Existe um aspecto comum a estes dois tipos de amperímetro.

Os enrolamentos usados para criar campos magnéticos possuem

uma resistência não nula da ordem dos 60 Ohm.

Para evitar isso é colocada uma resistência de baixo valor

em paralelo com o enrolamento de forma a diminuir o valor

da resistência interna do amperímetro caso contrário os

valores lidos poderiam estar sujeitos a erros muito grandes

quando se efectuassem medidas em circuitos com resistências

de valores da mesma ordem de grandeza.

Voltímetro

Construção de voltímetro e amperímetro usando um galvanómetro.

O galvanómetro é um aparelho que mede a corrente eléctrica através do seu efeito magnético, e é coração dos aparelhos analógicos de medida de corrente e de tensão que usamos em nossos laboratórios. Nessa prática, nós vamos ver como o galvanómetro pode ser associado a resistores de forma a serusado como medidas de tensão (voltímetro) ou de corrente (amperímetro), na escala desejada, e vamos projectar, construir e testar um voltímetro e um amperímetro.

O galvanómetro indica o valor da corrente IG que o atravessa pela deflexão de uma agulha sobre uma escala. figura1. O Valor máximo da corrente um galvanómetro pode medir é chamado de corrente de fundo de escala (IFE) e

corresponde à deflexão máxima de uma agulha sobre a escala (dai o nome). Correntes menores do queIFE são indicadas por posições intermediárias da agulha sobre a escala, entrea posição da agulha com corrente nula e a posição do fundo de escala, com a fracção de IFE. A corrente do fundo de escala esta relacionada à sensibilidade do galvanómetro, que é a capacidade de distinguir pequenas correntes e em geral quanto maior a corrente de fundo de escala, menor a sensibilidade.

O galvanómetro é essencialmente um medidor de corrente, pode ser usado directamente para medir correntes que não ultrapassem a corrente máximaIFE. Figura 2. Correntes maiores, além de não poderem ser indicadas pelo aparelho, podem danifica-lo e portanto não podem ser medidas directamente.

Correntes muito menores do queIFE também não podem ser medidas por um aparelho de sensibilidade finita.

Figura 2a. Medida de corrente com galvanómetro. I¿IG

I

IG

Figura 2b. Medida de tensão com galvanómetro.

U IG UG

U¿UG=RGIG

O galvanómetro também pode ser usado para medir tensão, se a sua resistência RG for conhecida (figura 2b). Uma tensão UG aplicada sobre os terminais do galvanómetro gera uma corrente IG que é medida pela deflexão da agulha sobre a escala. A medida de tensão é feita multiplicando se a

corrente medida pela resistência do galvanómetro U=RGIG. A tensão máxima que pode ser medida, corresponde à posição daagulha no fundo da escala, é UFE=RG IFE. A escala do medidorrepresenta agora fracções da tensão máxima.

A limitação das medidas que podem ser feitas no galvanómetro, as suas escalas naturais pode ser facilmente contornada associando se o galvanómetro à resistência conhecidas.

Princípio de funcionamento de um galvanómetro

O funcionamento de um galvanómetro é comparável ao funcionamento de motores DC na medida em que existe rotaçãoem torno de eixo por fenómenos de repulsão magnética.

Como a figura mostra, a bobine colocada no eixo que suportao ponteiro, a quando da passagem da corrente, tem por missão criar um campo magnético de forma a ser repelido pelos ímanes permanentes indicando assim no seu visor o valor de corrente que percorre a bobine, portanto, o amperímetro.

A mola está colocada de forma a construir a rotação total de eixo permitindo assim ter uma rotação proporcional ao campo criado pela passagem de corrente.

Construção do voltímetro com galvanómetro e resistor em série.

Um voltímetro em série de um resistorRS, com um galvanómetro fig. 3b. A diferença de potencial total Uv aplicada sobre a associação se divide entre o resistor e o galvanómetro na razão directa da sua resistência RS e RG. Atensão UG aplicada sobre os terminais do galvanómetro é apenas uma fracção de tensão total UV aplicada sobre a associação, se soubermos em que proporção Uv se divide entre UG eUS poderemos determinar quanto vale a tensão total Uv medindo a parte dela que actua sobre o

galvanómetro· ¿RsRG

U ¿UG+¿¿ US ¿(1 +¿ RS

RG ) UG 1 +¿

RS

RG

Funcionamento do voltímetro

A medida de voltagem é mais conhecida como medida de potencial. Para realizar a medida de voltagem utilizamos aparelhos denominados de voltímetro. Assim como no caso do amperímetro, existem também voltímetros analógicos e digitais. Ambos são muito utilizados, podendo o voltímetro digital possibilitar a melhor leitura do valor da ddp como também a certeza do que está sendo medido.

Para medir a ddp entre as extremidades de um resistor, por exemplo deve se conectar o voltímetro em paralelo com a resistência. Esse aparelho, assim como o amperímetro, também possuem uma resistência interna. Assim é desejável que a corrente que se desvia para o voltímetro seja a menorpossível, de forma que ao introduzir o voltímetro a perturbação causada seja desprezível. Sendo assim os voltímetros são constituídos com uma resistência interna mais alta possível.

Amperímetro, construção e princípio de funcionamento

Um amperímetro é constituído pela associação em paralelo deum resistor de baixa resistência, chamado de (Shurt) RS queé colocado em paralelo no galvanómetro.

Figura 3.

UA

IAIA

IS

A corrente total IAque atravessa a associação se divide na corrente IG que atravessa o galvanómetro, e é por ele medida, e na corrente IS que é desviada atravessando o Shurt na razão inversa das suas resistências.

A corrente IG que atravessa o galvanómetro e apenas uma fracção da corrente total IA, sabendo que a proporção a corrente IAse divide em IG e IS poderemos determinar quanto vale a corrente total I medindo a parte dela que atravessa o galvanómetro.

Mostre que IsIG ¿

RGRS e a partir daqui I ¿IG+¿ IS ¿ ( 1+¿

KGRS )

IG.

O número a dimensional (1+¿ KGRS ) é o factor de amplificação

da escala natural de medida de corrente do galvanómetro conseguida com a associação em paralelo com o resistor RS .A partir dessa relação podemos calcular o valor da resistência necessária para converter o galvanómetro num amperímetro, na escala desejada.

A resistência do amperímetro na nova escala é RA enquanto acorrente máxima que se pode medir é igual a RG IFEKA. O produto da resistência numa escala pela corrente máxima nessa escala é igual para todas as escalas e corresponde à máxima queda de potencial no amperímetro. Esse valor é uma característica do galvanómetro utilizado no amperímetro e éigual ao produto da resistência do galvanómetro RG pela corrente de fundo IFE queda de potencial máximo no amperímetro igual RG IFE (em A).

VU

Iv UR UG Iv

Funcionamento

É um instrumento destinado a medida da intensidade da corrente.

Nos dias de hoje podemos encontrar inúmeros fabricantes deste tipo de aparelhagem, assim como o modelos, tipos e para leituras de diferentes ordens de grandeza. AC ou DC digitais ou analógicos, etc.

Amperímetro analógico (clássico).

Embora pouco usados nos nossos dias, o amperímetro analógico é constituído por um galvanómetro ao qual é associado um ponteiro cujo objectivo é pontuar um valor de corrente uma escala impressa numa superfície plano.

Escala ponteiro

Imane bobina móvel

N S

I I

O princípio de funcionamento do amperímetro analógico AC também serve de fenómeno de repulsão magnética, tal como noDC. Este amperímetro também poderá servir para medições de corrente DC. Relativamente ao amperímetro anteriormente exposto, possui duas diferenças fundamentais: existe um enrolamento fixo à volta dum material ferro magnetismo e o enrolamento do eixo envolve ele também um material.

Aquando da passagem de corrente pelas enrolamento, estes criam pólos no termomagnéticos que envolvem repulsando se desta forma tendo em conta que os enrolamentos são percorridos pela mesma corrente.

Existe um aspecto comum a estes tipos de amperímetro. Os enrolamentos usados para criar campos magnéticos possuem uma resistência interna do amperímetro, caso contrario os valores lidos poderiam estar sujeitos a erros muito grandesquando se efectuam medidas em circuitos com resistência de valores da mesma ordem de grandezas.

O Multímetro

Figura 1 – Os Multímetros

O multímetro é o instrumento de medida mais usado nas oficinas de Electrónica e Electricidade, pois, como seu nome sugere, com um só instrumento é possível efectuar medidas de várias grandezas eléctricas. O multímetro tambémé conhecido pelo nome de multiteste.

Para a aquisição de um multímetro é necessário conhecer suas características, principalmente as que indicamos em seguida.

Construção

Características principais de um multímetro.

a) Mecânicas - As características mecânicas referem-se, obviamente, àquelas de carácter construtivo, tais como: tamanho, peso, robustez, facilidade de interpretação da escala, etc. Essas características devem ser encaradas pelocomprador em função do destino que será dado ao instrumento. Assim, o técnico reparador domiciliar deve darpreferência a um multímetro portátil, isto é, leve, mas queseja também robusto, ou seja, de construção sólida, para evitar que ele se danifique com os constantes choques mecânicos. É claro que, se o multímetro se destinar à bancada de oficina ou laboratório, a portabilidade deixará de ser importante devendo a escolha recair no aparelho que tenha escala ampla e fácil de ser lida, desde que, evidentemente, possua as características eléctricas requeridas.

b) Eléctricas - Entre as características eléctricas importantes de um multímetro, as que norteiam sua aquisição, de um modo geral, são: sensibilidade, precisão ealcance.

Sensibilidade: Definimos, anteriormente, a sensibilidade deum instrumento de quadro móvel. A sensibilidade do multímetro depende, é claro, daquela do galvanómetro; entretanto, pode ser diferente dela. Para que não pairem dúvidas, definiremos a sensibilidade do aparelho como sendoo inverso da corrente que ele retira da fonte (circuito) para deflexão máxima do ponteiro. É medida em Ohms por Volts (Ω/V). É muito comum, nos multímetros comerciais, quea sensibilidade do aparelho seja um pouco menor do que a dogalvanómetro. Isto se deve ao fato da existência de

resistência em paralelo com o instrumento, a qual deriva uma parte da corrente retirada da fonte.

Precisão: Como precisão de um aparelho de medida devemos entender a exactidão com que ele efectua a medida, ou seja,o quanto mais próximo a indicação está do valor real. Em suma, a precisão indica o erro relativo da medida. É indicada em percentagem. Evidentemente, quanto menor é a percentagem, maior é a precisão. Em todos os aparelhos a precisão é indicada para leituras no meio da escala, posição em que ela é maior.

Alcance: Por alcance deve-se entender a maior medida que sepode efectuar com o aparelho. Como ficou mostrado linhas atrás, o alcance ou campo de medida do instrumento é pequeno; por isso, utilizam-se resistores em série, ou paralelo, para aumentar seu campo de medida. Nos multímetros o alcance é escolhido de acordo com a medida que se quer efectuar. Para isso, os aparelhos possuem chavecomutadora de alcance.

c) Manutenção - Embora não se trate de característica do multímetro, ao adquiri-lo, deve-se levar em consideração a possibilidade de se encontrarem componentes para reposição em caso de acidente com o aparelho. É desejável, portanto, que o multímetro seja de fabricação nacional ou, se estrangeiro, que existam postos de assistência técnica no país.

Uso do Multímetro.

O multímetro possibilita medidas rápidas de tensão, corrente, resistência e, eventualmente, de outras grandezascomo indutância, capacitância, temperatura, etc.

Para a maioria dos trabalhos a serem realizados na localização de defeitos e avarias na parte eléctrica e electrónica de um veículo é utilizado o multímetro. Pode-sedividi-los em dois tipos básicos, o analógico e o digital. O tipo analógico, possui um mostrador com varias escalas

graduadas, onde o deslocamento de um ponteiro permite a interpretação do valor da grandeza que é medida (tensão, resistência e corrente).