relatório de fisica iii
TRANSCRIPT
Universidade do Algarve
Escola Superior de Tecnologia
Curso de Engenharia Mecânica
Física III
2008/2009
- Trabalho Laboratorial nº 1
Trabalho realizado por:Bruno Damião Nº 30387
Carlos Gouveia Nº 31740Henrique Sousa Nº 28602
Zé Barros Nº 34430
Índice
Introdução………………………………………………………………………………….pág. 3
Conceitos Teóricos………………………………………………………………………pág. 4
Lista de Equipamentos……………..…………………………………………….pág. 23
Procedimento Experimental………………………………………………………..pág. 26
Conclusão…………………………………………………………………………………….pág. 37
Introdução
Esta experiência foi realizada, servindo como mais uma ferramenta de avaliação para o docente da disciplina, e também permitiu aos alunos uma aprendizagem experimental dos tópicos teóricos aprendidos nas aulas, ajudando a uma melhor compreensão e confirmação da veracidade da matéria aprendida.
Na realização deste trabalho era pré-requisito ter em posse o conhecimento de vários tópicos teóricos, nomeadamente e principalmente a Associação de Resistências em série e em paralelo, as Leis de Kirchhoff, a Lei de Ohm, Teorema de Thévenin, Teorema de Norton, existindo ainda outras também importantes.
A Experiencia foi realizada com a supervisão e acompanhamento de um docente, os materiais requeriam cuidado na sua utilização (estes vão ser enunciados mais adiante).
Conceitos Teóricos
Carga eléctrica
Qualquer tipo de matéria é formado por átomos.
Os átomos não são as menores partículas da matéria: eles
próprios se compõem de partículas ainda menores,
chamadas partículas subatómicas. No centro de todo átomo
existe um conjunto formado por dois tipos de partículas: os
protões e os neutrões. Esse conjunto de partículas é o
núcleo do átomo. À volta deste núcleo, como se fossem
satélites, giram os electrões, partículas em movimento
permanente. As trajectórias desses electrões organizam-se
em camadas sucessivas chamadas órbitas electrónicas.
Os protões do núcleo e os electrões das órbitas atraem-se
entre si. A esta força de atracção recíproca chamamos de
força eléctrica. É a força eléctrica que mantém os electrões
girando à volta dos protões do núcleo. Sem ela, os electrões
perderiam-se no espaço e os átomos não existiriam.
Os electrões, entretanto, repelem outros electrões e os
protões repelem outros protões. Dizemos, por isto, que as
partículas com carga igual repelem-se e as partículas com
carga oposta atraem-se. Convencionou-se chamar a carga
dos protões de positiva (+) e as cargas dos electrões de
negativa (-).
Normalmente, cada átomo é electricamente neutro, em
outras palavras, tem quantidades iguais de carga negativa
e positiva, ou seja, há tantos protões no seu núcleo,
quantos electrões ao seu redor, no exterior. Os protões
estão fortemente ligados ao núcleo dos átomos. Somente
os electrões podem ser transferidos de um corpo para
outro.
Podemos dizer que um corpo está electrizado quando
possui excesso ou falta de electrões. Se há excesso de
electrões, o corpo está electrizado negativamente; se há
falta de electrões, o corpo está electrizado positivamente.
A quantidade de electrões em falta ou em excesso
caracteriza a carga eléctrica Q do corpo, podendo ser
positiva no primeiro caso e negativa no segundo.
Bons e maus condutores de electricidade
Os metais são bons condutores porque os electrões que se
encontram mais afastados do
núcleo atómico têm grande mobilidade (estes electrões
podem movimentam-se
desordenadamente no interior dos metais (electrões livres),
mas ao fechar-se um
circuito eléctrico, estes organizam-se de imediato num
movimento ordenado, formando a corrente eléctrica.
Bons condutores de electricidade
Os materiais bons condutores são aqueles que se deixam
atravessar pela corrente
eléctrica. O melhor exemplo desses materiais é os metais
(Cobre, ferro, alumínio, ouro, prata, etc.).
Na figura temos um cabo de cobre
(bom condutor)
Maus condutores de electricidade
Os materiais maus condutores ou isolantes são aqueles que
quase não se deixam
atravessar pela corrente eléctrica e que, portanto,
dificilmente a conduzem. A borracha, a madeira, vidro, o
plástico são alguns exemplos de maus condutores.
Tábua de madeira (mau condutor)
Campo Eléctrico
Um campo eléctrico é uma região do espaço onde se
manifesta a acção das cargas eléctricas. Esta acção
verifica-se à distância, sem contacto entre as cargas.
Uma carga eléctrica que se encontre num campo eléctrico
fica sujeita a uma força F. Há cargas eléctricas positivas e
negativas. Se a carga for positiva, a força que sobre ela se
exerce tem o sentido do campo eléctrico. Se for negativa
dá-se o inverso. O campo eléctrico é originado em cargas
positivas e termina em cargas negativas. O seu sentido
pode representar-se por imaginárias linhas de força.
Potencial eléctrico
Com relação a um campo eléctrico, interessa-nos a
capacidade de realizar trabalho, associada ao campo em si,
independentemente do valor da carga q colocada num
ponto desse campo. Para medir essa capacidade, utiliza-se
a grandeza potencial eléctrico.
Para obter o potencial eléctrico de um ponto, coloca-se nele
uma carga de prova q e mede-se a energia potencial
adquirida por ela. Essa energia potencial é proporcional ao
valor de q. Portanto, o quociente entre a energia potencial e
a carga é constante. Esse quociente chama-se potencial
eléctrico do ponto.
V é o potencial eléctrico e é dado em Volt (V)
Ep é a energia potencial e é dado em Joule (J)
q é a carga e é dado em Coulomb (C)
Diferença de potencial ou DDP
A diferença de potencial entre dois pontos, numa região
sujeita a um campo eléctrico, depende apenas da posição
dos pontos. Assim, podemos atribuir a cada ponto um
potencial eléctrico, de tal maneira que a diferença de
potencial entre eles corresponda exactamente à diferença
entre os seus potenciais, como o próprio nome indica.
Fisicamente, é a diferença de potencial que interessa, pois
corresponde ao trabalho da força eléctrica por unidade de
carga.
Corrente eléctrica
A corrente eléctrica é um movimento ordenado de cargas
elementares.
Aplicando uma diferença de potencial num fio metálico,
surge nele uma corrente eléctrica formada pelo movimento
ordenado de electrões. No fio metálico, mesmo antes de
aplicarmos a diferença de potencial, já existe movimento de
cargas eléctricas. Todos os electrões livres estão em
movimento, devido à agitação térmica. No entanto, o
movimento é caótico e não há corrente eléctrica.
Quando aplicamos a diferença de potencial, esse
movimento caótico continua a existir, mas a ele se
sobrepõe um movimento ordenado, de tal forma que, em
média, os electrões livres do fio passam a se deslocar ao
longo deste. É assim que se forma a corrente eléctrica.
Intensidade de corrente
A intensidade de corrente, I, num condutor é igual ao
quociente entre a carga eléctrica Q que percorre esse
condutor (em Coulomb, C), e o intervalo de tempo
(em segundo, s):
A unidade do sistema internacional da intensidade de
corrente é o ampere (A).
Tipos de corrente
Corrente contínua
É aquela cujo sentido se mantém constante.
Ex: corrente de uma bateria de carro, pilha, etc.
Corrente alternada
É aquela cujo sentido varia alternadamente.
Ex: corrente usada nas residências.
Efeitos da corrente eléctrica
A carga eléctrica em movimento, isto é, a corrente
eléctrica, possui certas propriedades que a carga eléctrica
em repouso não possui. As mais importantes são:
Efeito térmico
Campo magnético produzido pela corrente eléctrica
Efeito químico
Efeito luminoso
Efeito térmico:
Quando a corrente eléctrica passa num condutor, produz-se
calor: o condutor se aquece. Este fenómeno, também
chamado efeito Joule.
Campo magnético produzido pela corrente eléctrica:
Quando a corrente eléctrica passa num condutor, ao redor
do condutor produz-se um campo magnético. A corrente
eléctrica comporta-se como um íman, tendo a propriedade
de exercer acções sobre ímanes e, sobre o ferro.
Efeito químico:
Fazendo-se passar uma corrente eléctrica por uma solução
de ácido sulfúrico em água, por exemplo, observa-se que
da solução separa-se hidrogénio e oxigénio. A corrente
eléctrica produz, então, uma acção química nos elementos
que constituem a solução. Esta acção, que se chama
electrólise.
Efeito luminoso:
Em determinadas condições, a passagem da corrente
eléctrica através de um gás rarefeito faz com que ele emita
luz. As lâmpadas fluorescentes e os anúncios luminosos.
São aplicações esse efeito. Neles há a transformação
directa de energia eléctrica em energia luminosa.
Elementos de um circuito
Todo circuito eléctrico deve ter quatro elementos básicos:
Gerador
Condutor
Receptor
Interruptor
O circuito eléctrico também poderá apresentar outros
elementos que iremos enunciar de seguida.
Gerador:
O gerador é o elemento que cria a corrente eléctrica. Ele
tem dois, um positivo e outro negativo. É representado
esquematicamente por duas linhas paralelas, uma mais
comprida do que a outra. A mais comprida representa o
pólo positivo, e a mais curta, o negativo.
Condutor:
O condutor é o meio pelo qual as cargas se deslocam. O
mais usado, pelo seu custo e baixa resistividade, é o cobre.
Receptor:
O receptor transforma a energia eléctrica em outras formas
de energia. O desenho pode ser simples ou complexo: uma
lâmpada ou um motor eléctrico. Os que transformam
energia eléctrica em calor são chamados de resistências.
Interruptor:
O interruptor é a chave situada no condutor que permite ou
impede a passagem de cargas. Se permite, diz-se que o
circuito está fechado, caso contrário, está aberto.
Resistências:
A resistência eléctrica é um componente que opõe uma
certa dificuldade à passagem da corrente eléctrica.
As funções que podem ser desempenhadas por resistências
num circuito são: limitadores de corrente, divisores de
tensão, atenuação, filtragem, polarização, carga, etc.
Existe vários tipos de resistências fixas: resistências
aglomeradas (de grafite), resistências de camada ou
película (de carvão ou liga metálica) e resistências
bobinadas (de fio de liga de metais: cobre-níquel ou cobre-
magnésio).
Dispositivos de controlo:
São utilizados nos circuitos eléctricos para medir a
intensidade da corrente eléctrica e a ddp existentes entre
dois pontos, ou, simplesmente, para detectá-las. Os mais
comuns são o amperímetro e o voltímetro. Hoje em dia
também é muito comum ser utilizado o multímetro.
Voltímetros:
O voltímetro é um aparelho que realiza medições de tensão eléctrica em um circuito e exibe essas medições, geralmente, por meio de um ponteiro móvel ou um
mostrador de cristal líquido (LCD). A sua montagem é em paralelo com o dispositivo que se pretende obter a tensão eléctrica. A unidade apresentada geralmente é o Volt (V).
Amperímetro:
O amperímetro é um instrumento utilizado para fazer a
medida da intensidade no fluxo da corrente eléctrica que
passa através da sessão transversal de um condutor. A sua
montagem é feita em serie. A unidade usada é o Ampere
(A).
Multímetro:
Destinado a medir e avaliar grandezas eléctricas, um
Multímetro ou Multiteste (Multimeter ou DMM - digital multi
meter em inglês) é um instrumento que pode ter mostrador
analógico (de ponteiro) ou digital.
Utilizado na bancada de trabalho (laboratório) ou em
serviços de campo, incorpora diversos instrumentos de
medidas eléctricas num único aparelho como voltímetro,
amperímetro e ohmímetro por padrão e capacímetro,
frequencímetro, termômetro entre outros, como opcionais
conforme o fabricante do instrumento disponibilizar.
Lei Ohm
A lei de ohm indica que a diferença de potencial (V) entre
dois pontos de um condutor é directamente proporcional à
corrente eléctrica (I) que o percorre e á resistência (R) que
o condutor apresenta.
Potência dissipada na resistência:
Unidade de potência no SI: W (watt)
Energia Consumida
No SI a unidade de energia é o joule (J), mas também é
muito utilizado o kWh. 1kWh é a energia consumida, com
potência de 1kW, durante 1 hora
Associação de resistências
As resistências eléctricas podem ser apresentadas de três
formas:
Em serie
Em paralelos
Numa combinação das duas anteriormente faladas.
Qualquer que seja o tipo da associação, esta sempre
resultará numa única resistência total, normalmente
designada como resistência equivalente - e sua forma
abreviada de escrita é Req.
Em serie:
Em paralelo:
Teorema de Thévenin e Norton
Os teoremas de Thévenin e de Norton são dois teoremas
duais aplicáveis a circuitos lineares.
Teorema de Thévenin
O teorema de Thévenin estabelece que qualquer circuito
linear visto de um ponto pode ser representado por uma
fonte de tensão (Vth) (igual à tensão do ponto em circuito
aberto) em série com uma resistência (Rth) (igual à
resistência do circuito vista desse ponto).
A esta configuração chamamos configuração Thévenin.
O teorema de Norton estabelece que qualquer circuito
linear visto de um ponto pode ser representado por uma
fonte de corrente (In) (igual à corrente do porto em curto-
circuito) em paralelo com uma resistência (Rn) (igual à
resistência do circuito vista desse ponto).
A esta configuração chamamos configuração Norton.
Leis de Kirchhoff:
Lei dos nós
A soma das correntes que chegam a um nó é igual à
soma das correntes que dele saem.
Se as correntes que se dirigem para um nó são
consideradas positivas, e negativas as que dele se afastam,
a lei estabelece que é nula a soma algébrica de todas as
correntes que concorrem em um mesmo nó.
Nó formado pelas resistências R1, R2 e R3
Lei das malhas
A soma das elevações de potencial ao longo de
qualquer circuito fechado é igual à soma das quedas de
potencial nesse mesmo circuito.
Noutras palavras, a soma algébrica das diferenças de
potencial, ao longo de um circuito fechado, é nula. Se
existir mais de uma fonte e os sentidos não forem iguais,
será considerada positiva a tensão da fonte cujo sentido
coincidir com o admitido para a corrente.
Lista de Equipamentos
Fonte DC
- Thur by Thandar Instrument
Multímetro- Amprobe Instrument AM-15
Placa de Ligações / Breadboard
Fios condutores de cobre isolados
Crocodilos de Ligação
Resistências
Seis Resistências:
R1 = 1KΩ
R2 = 3,3 KΩ
R3 = 2,2 KΩ
R4 = 3,3 KΩ
RL1 = 1 KΩ
RL2 =15 KΩ
Procedimento experimental.
1- Calculo da resistência total do circuito
Montagem do circuito com curto-circuito entre D e E.
Desfazendo o curto-circuito entre D e E.
A
B
D
E
F
Pratico ( )
Teórico ( )
Resistência total com curto-circuito entre D e E
5550 4850
Resistência total sem curto-circuito entre D e E
7520 6500
Quadro 1
2- Medição da tensão entre o ponto C e F, E e F.
Calculo da intensidade da corrente que passa no circuito.
A
B
D
E
F
Cálculo da tensão entre o ponto C e o ponto F
Como na resistência 4 não passa corrente não vamos utiliza-la para calcular a resistência equivalente.
Cálculo da tensão entre o ponto D e o ponto F
Quadro 2
3- Medição da tensão entre o ponto C e F e a corrente na resistência 1 com curto-circuito entre o ponto E e o ponto F.
A
Pratico (V)
Teórico (V)
26 25,3
12,91 10,12
Calculo da intensidade que passa na resistência 1.
Calculo da queda de tensão entre o ponto D e o ponto E.
REq=R2+R3/¿ R4
REq=3300+3300×22003300+2200
=4620Ω
B
D
E
F
U DE=REq×I=4620×5,3×10−3=24,486V
Pratico
Teórico
24,6 24,486
0,0053
0,0053
Quadro 3
4- Calcular a queda de tensão entre o ponto E e F colocando entre o ponto D e o ponto E uma resistência de
1k e de 15k de cada vez, retirando o curto-circuito entre o ponto E e F.
Calcular a resistência total do circuito acima mostrado. Calculando em seguida a intensidade na resistência 1 e a queda de tensão entre o ponto E e F.
A
B
D
E
F
A
D
E
Calcular a resistência total do circuito acima mostrado. Calculando em seguida a intensidade na resistência 1 e a queda de tensão entre o ponto E e F.
1 15
Teórico Pratico Teórico Pratico
12,98 22,2 11 15,36
0,0025 0,0025 0,00076 0,0006
Quadro 4
5- Com os valores da Alina 2 e 3 calcular a resistência total.
Com Circuito Aberto
Curto-circuito
Assim comprando os valores obtidos na alinha 1 com estes valores temos que pelo medição da resistência total para o circuito aberto 7520 enquanto com os cálculos temos 7500 e com curto-circuito entre o ponto D e o ponto E o valor da resistência total medida é de 5550 e através dos cálculos deu-nos 5555,56 . Como podemos ver a diferença entre estes os valores calculados e os medidos é mínima, esta diferença pode ter nascido derivado a alguns erros de medição.
6-A expressão que relaciona tensão entre o ponto E e o ponto B com a tensão aplicada a entrada.
7-Calcular o Equivalente de Thévenin aplicando entre o ponto E e F uma resistência de 15k
A
D
8 – Calcular o equivalente de Norton aplicando entre o ponto D e F uma resistência de 15KΩ
IN=V AB
RT⇔ I N=
301000
=0 ,03 A
RN=846.15Ω
IN=0.03 A
Conclusão
RN=R1 // (R2+R3 )=1000×(3300+2200 )1000+3300+2200
=846 ,15Ω
Como se pode verificar nos quadros, através da relação de valores obtidos na experiência e os valores obtidos teoricamente através de cálculos, os valores estão muito próximos, ou seja, pode ser muito útil para calcularmos um circuito pretendido, seja ele qual for, calculando as intensidades de corrente, as voltagens e as resistências pretendidas para posteriormente ser montado a nível experimental.
Confirmou-se experimentalmente que um circuito aberto com resistência ou não (é indiferente) não é percorrido por corrente eléctrica.
Confirmou-se experimentalmente que num circuito em série a intensidade de corrente mantém-se constante, e a queda de Tensão é maior ou menor consoante a resistência percorrida.
Confirmou-se experimentalmente que num circuito em paralelo as quedas de Tensão mantém-se constantes, e a intensidade de corrente subdivide-se consoante as Resistências percorridas.
Ainda em relação à comparação de valores, além de estarem muito próximos também conhecemos algumas das razões pelas quais os valores não são exactamente iguais. Sendo elas o factor humano, este factor muito dificilmente desaparece das experiências em todos os campos podendo ser erros de medidas, erros físicos, má conduta, etc. Então depois, temos os erros por parte do material utilizado. Erros por parte da Placa de Ligação por exemplo, ou por parte do Multímetro. A incapacidade da Fonte de Alimentação de manter a tensão fornecida sempre constante. As resistências também são outra potencial fonte de erro (todas elas apresentaram valores diferentes do “rótulo”).
Como a relação de valores é muito próxima, estas razões ditas obviamente que produzem erros relativamente muito pequenos.