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Física ExperimentalAula 3
2008 - 2009
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 2
Aula_2Instrumentos de medida I
Modelos de multímetros
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 3
T0 - Instrumentos de medida IMultímetro : A – Amperímetro V - Voltímetro
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 4
VoltímetroCaracterísticas do Galvanómetro (R=500 Ω, I = 1 mA)
Resistências em série
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 5
Escalas: 1 V – 10 V - 100 V- 1000 V
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 6
Impacto do voltímetro sobre o circuito
Voltímetro em paralelo …
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 7
Amperímetro
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 8
Amperímetro –Modelo simplificado
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 9
Amperímetro – EscalasShunt !
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 10
Escalas -Amperímetro
Resistências de shunt - várias escalas
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 11
Cálculo correntes (Lei das malhas)
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 12
Trabalhos experimentaisImpacto do amperímetro
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 13
Impacto do Amperímetro
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 14
T0- Ligação esquemáticaVoltímetro (em paralelo) com a resistência R do circuitoAmperímetro (em série) com a resistência R do circuito
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 15
Análise das experiências: #1-#2
Exp#1 – Determinação experimental de R
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 16
TO – Gerador de tensão (ajustável)
Rever : EXCEL (ajuste linear)
DC, ajustável
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 17
Díodo de sinal e de um LED
Trabalho 1 -Curva i - v de um díodo de sinal e de um LED
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 18
Estudo do díodo
Gráfico I-V diodo
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 19
Diodo rectificador meia – ondaA C D C⇒∼
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 20
Lógica BooleanaPorta lógica : AND (E)
Lógica positivaSe (ambos) A e B : 12 V Se A ou B : massa
12Z V⇒ =0.6Z V⇒ =
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 21
Díodo Zener
(regulador tensão)
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 22
Díodos de vários tiposDíodos de potência, de sinal, Zener, LED,…
Exemplos
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 23
Símbolos para díodos de uso corrente
SinalLed
ZenerFotodíodo
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 24
Príncipio de funcionamento de um díodo Zener
Díodo ZenerLigação com polariação inversa
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 25
Curva característica de um díodo ZENER
Interpretação
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 26
Corrente de díodo ID
( 1)D
B
qVk T
Diodo SI I e= −
:: . . .
: arg:
: tan
300 , 27
S
D
Bo
I corrente de saturaçãoV D d p nas extremidades do díodoq c a do electrãoT Temperatura absolutaK cons te de Boltzmann
T K t C= =
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 27
T0- Ligação esquemática - QUESTÃO-Voltímetro (em paralelo) com a resistência de carga R do circuito ou R+A
- Amperímetro (em série) com a resistência de carga R do circuito
: Re: Re: Re
V
A
R sistência externa do circuitoR sistência do voltímetroR sistência do amperímetro
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 28
Questão proposta : (Fig.anterior (esq) : Q2 - HoLab1-B.pdf)
Resposta:
oAmperimetrsistA
sistenciaL
oEquipamentA
M
A
ALAM
RRIVsejaou
IpormembrososambosDivindoOhmdeLeiRRIV
_ReRe
::
:)(
+=
⇒+=
Re
:
:ML A L
A sistenciaEquipamento
ou aindaV R quando R RI
≅ <<
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 29
INTRODUÇÃO – ElectrónicaDigital e analógica
0 0
:
: / / 0
( )
:arg
arg
AB
Qt
t
V diferença de potencialUU q V Vq
Potencial de referência Terra massa V
dQI I dt dQ Q I tdt
Potência P V ITrabalho c aV I
c a tempo
= ⇒ =
=
= ⇒ = ⇒ = ∆
=
= ×
∫ ∫
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 30
INTRODUÇÃO – ElectrónicaDigital e analógica
Resistência-Condensador-Indutor
Física proporciona as bases para a electrónica
2
2
22
Re :1:2
1:2
arg:arg
:
1. ( ) 0 :
AB
C
L L
R
iMalhas
sistência V RI
Condensador Q C V U CV
dIIndutor V L U Lidt
Trabalho c aPotência P V Ic a tempo
VP VI I R dissipada como calorR
Leis de Kirchhoff
V A soma das quedas tensão ao longo
∆ =
= ⇒ =
= ⇒ =
⇒ = = ×
= = = ⇒
∆ =∑ .
2. : lgin out
de uma malha é zero
i i A soma a ébrica das correntes num nó énula=∑ ∑
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 31
INTRODUÇÃO – ElectrónicaDigital e analógica
Aplicação das leis de Kirchhoff
Suficiente para obter equações algébricas que permitem a solução das incógnitas para qualquer circuito
SimplificaçãoAssociação
SérieParalelo
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 32
INTRODUÇÃO – ElectrónicaDigital e analógica
1 2
1 11 2
1 2 11 2
Re: ...
1 1 1 1: ... ... ; ...
:1 1 1: ;
n neq n
eq
Todavia o trabalho pode ser reduzido através das associaçõessistências
Série R R Percorridas pela mesma corrente I
Paralelo V V I IR R R R
Condensadores
Série Q Q VC C C
+ + ⇒
= + + + ⇒ = = ≠ ≠
= + ⇔ = ≠ 2 1 2
1 2 1 2 1 2 1 2: ,
:: ( )
: (
eq
V com C C
Paralelo C C C V V Q Q com C C
IndutoresSérie semelhante à das resistênciasParalelo semelhante à das resistências
≠
= + ⇔ = ≠ ≠
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 33
INTRODUÇÃO – ElectrónicaDigital e analógica
Divisor de tensão: Divisor corrente
2
2
2
1 2
out
R in
V I RRV V
R R
= ×
= ×+
2
1
1 2
2
11 2
21 2
out
R
R
I I IVIR
II RR R
II RR R
= +
=
= ×+
= ×+
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 34
INTRODUÇÃO – ElectrónicaDigital e analógica
LimitaçõesResistência de carga : RL
2
2 2
: dim Re
: int !
L eq L
out
L eq
out
Se R R R R
V inui sultado aproximado
Se R R R R
V nao roduz erro
>> ⇒ ≈
⇒ ⇒
<< ⇒ ≈
⇒
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 35
INTRODUÇÃO – ElectrónicaDigital e analógica
Condensador
Processo de carga
0 :
1 . var
( ) (1 )t
RC
QV IR Lei das malhasC
dQ QR Vdt CdQ dt Eq diferencial iáveis separadas
Q CV RC
Q t CV e−
− + + =
= −
= − ⇒−
= −
V
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 36
INTRODUÇÃO – Electrónica
Condensador descarga (posição 2)
0
0
0 :
: dim ,
( ) ( tan de t )
tRC
tRC
Q IR Lei das malhasC
dQI Q inui enquanto I fluidt
dQ QRdt C
Q Q eou
QI t e com RC cons te empoRC
τ
−
−
− + =
= −
= −
=
= ⇒ =
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 37
Curva de carga e de descarga do condensador
Representação gráfica
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 38
Indutor : Processo de carga
Processo de carga
0 :
. var
( ) (1 )
: log exp ( )arg
fonte
R tL
C
dIV L IR Lei das malhasdt
L dI V IR dt R
dI R dt Eq diferencial iáveis separadasV LIR
VI t eR
CONCLUSÂO formalmente aná a à ressão V tno processo de c a
−
− + + =
= −
= − ⇒−
= −
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 39
Indutor: Tensão aos seus terminais : VL
Tensão aos terminais do indutor (bobina)
L
R tL
diV Ldt
diL V edt
−
=
=
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 40
AC – Corrente/tensão alternadaFontes: baterias, pilhas secas, … (limitações!)
tdm ωεε sin=
)sin( φω −= tIi d
.
B
B
ddt
d B dS
φε
φ
= −
=
Escovas
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 41
Baterias NiMH
Nickel/Metal Hydride (NiMH)Ánodo: Terras raras ou ligas de niquelcom muitos metaisCátodo: Hidróxido de Ni
Electrólito: Hidróxido de potássioAplicações: Telemóveis, ferramentas, laptops, veículos eléctricos, …
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 42
Bateria : NiMH
Reacções eléctrodosÁnodo
MH + OH- —> M + H2O + e-0.83
CátodoNiOOH + H2O + e- —> Ni(OH)2 + OH-0.52
GLOBAL
NiOOH + MH —> Ni(OH)2 + M+1.35
Os ánodos usados nestas células são complexos de vários metais tais como : V, Ti, Zr, Ni, Cr, Co, e (!) Fe.
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 43
Bateria : NiMH
+0.52NiOOH + H2O + e- —> Ni(OH)2 +OHCatodo
-0.83MH + OH- —> M + H2O +eAnodoTensãoReações químicasLocal
1,35 VNiOOH + MH —> Ni(OH)2 + MGLOBAL
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 44
Bateria NiMH - NiCd
O electrólico destas baterias étípicamente 6 M KOH~1.2 V/célulaPreço: NiMH vs NiCd, 30% mais capacidade , densidade de potência mais elevada (teoricamente 50% mais, pratica/ 25%).
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 45
Ião – Li
Células de ião-LiÁnodo: Composto de carbono, grafiteCátodo: Óxido de lítioElectrólito:Aplicações: Laptops, telemóveis, veículos eléctricos
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 46
Bateria de iões de lítioCélulas de lítio que usam metal de litio tem varias desvantagens quando usadas como fontes secundárias (recarregáveis) . Por esta razão várias químicas foram desenvolvidas usando compostos de lítio em vez do metal de lítio. São genericamente designadas por Baterias de iões de lítioCátodo consiste de camadas de grafite (grafite), com lítio intercalado. Recorreu-se também a óxidos de metal com lítio( Ex.: LiCoO2, NiNi0.3Co0.7O2, LiNiO2, LiV2O5, LiV6O13, LiMn4O9, LiMn2O4, LiNiO0.2CoO2.
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 47
Baterias : Ião - Li
Electrólito+ membrana
Electrólitos: LiPF6Mais recente: LiBF4.
Membranas necessárias para separar electrões dos iões (polietileno)
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 48
BATERIASCurvas características de descarga V (t) de várias baterias.
Li - ião
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 49
Bateria da nova geraçãoLítio – Polímero
Ver :http://www.powerstream.com/
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 50
Trabalho 1 – Instrumentos de medida IMultímetro -Traçado de curvas características V-I
Guião experimentalInstrumentos reais (Laboratório)
Obtenção de resultados experimentaisAnálise dos resultados
Análise de errosRegisto obrigatório no Caderno (Logbook)
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 51
Trabalho 2 – Instrumentos de medida IIOsciloscópio – Hammeg 303-6
Análise de sinais variáveis no tempo
Manual
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 52
Gerador de sinais
200 MHz gerador de sinais, por ex.
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 53
Trabalho 2 –Instrumentos de medida IIGerador de sinais e osciloscópio
Experiência 1 – Caracterização de sinais variáveis no tempoInterpretação das curvas experimentais
Experiência 2 – Análise de sinais. Circuitos básicos simples.Generalização da lei de Ohm.Impedância complexa
Experiência 3 – Circuito RL.Outros
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07-10-2008 Física Experimental - V. E. 54
Bibliografia
1. Electronics, Circuits & Devices, Ralph J. Smith,N.Y. (3th.Ed.),19872. Practical Physics, G.L.Squires, Cambridge University Press (4 th Ed.),Cap.13,20003. Guia de trabalhos experimentais de Física Experimental (2005-06), Coordenação de J.
Maia Alves4. Fundamentos de electromagnetismo, Conceitos fundamentais e Aplicações (2004), V.
Esteves5. The art of electronics, P. Horowitz and Hill, Cambridge University Press, Cap 1 e
Apêndice A (1982)