Aula 1 Fontes de Tensão e Resistores Materiais condutores

EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 1 EEL/CTC/UFSC Introdução Teórica: Aula 1 Fontes de Tensão e Resistores Materiais condutores Os materiais condutores caracterizam-­‐se por possuírem elétrons que estão sujeitos a pequenas forças de atração de seu núcleo, possibilitando que uma carga elétrica se desloque de maneira relativamente livre. Nos chamados bons condutores esses elétrons já se encontram livres de seus núcleos e, por isso, são denominados de elétrons livres. Exemplo de elétrons livres num bom condutor Quando os elétrons livres não estão sujeitos a nenhuma influência externa, eles se deslocam de forma aleatória no condutor (ver figura acima). Num condutor sujeito a uma influência externa, os elétrons livres passam a se deslocar numa mesma direção (ver figura abaixo). Este fluxo direcionado de carga elétrica dos elétrons resulta no que chamamos de corrente elétrica. Fluxo direcionado de cargas elétricas devido à influência externa Corrente Elétrica: Definição A corrente elétrica é definida como o fluxo de carga elétrica por unidade de tempo: dQ i=
dt
onde o símbolo i é utilizado para representar a corrente elétrica e Q a carga elétrica. No sistema MKS de unidades, a unidade usada para a corrente elétrica é o Ampére (A) (= Coulomb (C) / segundos). Exemplo: Sabendo que a carga de um elétron é 1.6×10!!" C, a corrente elétrica correspondente ao fluxo de 1020elétrons durante 10 segundos é 20
−19
i=
10
× 1.6 × 10
10
= 1.6A
1/8 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 1 EEL/CTC/UFSC Convencionou-­‐se que o sentido da corrente elétrica é contrário ao movimento dos elétrons (chamado de sentido convencional), sendo sua intensidade sinalizada positivamente. Logo, intensidade de corrente elétrica sinalizada negativamente indica que o sentido da corrente é contrário ao sentido convencional (chamado de sentido real). Tensão Elétrica: Definição O deslocamento de uma carga elétrica entre dois pontos de um circuito elétrico produz uma diferença de potencial elétrico e tal deslocamento despende uma quantidade de energia na forma de trabalho. Defini-­‐se, assim, a tensão elétrica, ou a diferença de potencial (ddp) elétrico, como: 𝑉 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 =
𝑊(𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠)
𝑄(𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏𝑠)
A diferença de potencial entre dois pontos (A e B), denotada por VAB, corresponde à tensão em A (VA) medida em relação à tensão em B (VB), como mostra a figura abaixo. Por convenção, a corrente elétrica flui do potencial mais elevado (+) para o potencial mais baixo (-­‐). VAB = VA − VB
VBA = −VAB
VBA = VB − VA = −(VA − VB ) = −VAB
A diferença de potencial de uma associação de baterias em série é determinada pela soma individual das correspondentes tensões de cada bateria mantendo-­‐se a polaridade. Exemplo: Associação de baterias em serie: VAD = VAB + VBC + VCD = −1.5V − 1.5V + 9V = 6V
Para compararmos as tensões em diferentes pontos de um circuito elétrico, utilizamos um mesmo ponto de referência, o qual é chamado de “terra” (do inglês “ground”) do circuito, assumido ter 0 V tensão. Assim, as tensões podem ser descritas com um único índice, como mostra a figura abaixo. =0
VAB
!"#$
= VA − VB = VA
Terra do circuito 2/8 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 1 EEL/CTC/UFSC Resistência: Definição Chama-­‐se de resistência elétrica de um material a capacidade de se opor à passagem da corrente elétrica quando este fica sujeito a uma diferença de potencial. O símbolo usado para representar a resistência é a letra R, sendo que a unidade é o Ohm (Ω). Qualquer fio condutor possui “resistência”, mas essa resistência é normalmente muito reduzida. 3/8 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 1 EEL/CTC/UFSC Roteiro de Laboratório Aula 1: Fontes de Tensão e Resistores Objetivos •
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Relembrar conceitos básicos de eletricidade (tensão, corrente e resistência) Familiarizar-­‐se com o uso do multímetro e com o conceito de escala Utilizar o multímetro para medidas de tensão e resistência Aprender a identificar resistores através do código de cores Lista de material •
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Bateria de 9V e pilha de 1,5V Fonte de tensão DC da bancada (-­‐15V, 0V, +5V, +15V) Multímetro com pontas de prova preta e vermelha 3 resistores Roteiro da experiência 1) A tabela 1 lista alguns prefixos do Sistema Internacional de Unidades (SI). Complete a tabela. •
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Para utilizar o multímetro na função de voltímetro (medidor de tensão) de corrente contínua (DC, do inglês directcurrent) gire a chave seletora até uma das escalas de tensão, indicadas pelo símbolo “V” e, caso necessário, aperte o botão AC/DC de forma que o indicador “AC” (corrente alternada, do inglês alternatingcurrent) esteja apagado. As pontas de prova devem estar conectadas usando a seguinte convenção: ponteira preta no terminal indicado por “COM” (comum/referência) e ponteira vermelha no terminal indicado por “V/Ω”. Para medir a queda de tensão do ponto A (+) para o ponto B (-­‐), isto é, VAB, deve-­‐se colocar a ponteira vermelha em contato com o ponto A e a ponteira preta em contato com o ponto B. Cada escala do multímetro é rotulada com um número seguido possivelmente de um multiplicador (ex: 200m); o número indica o maior valor que pode ser medido nesta escala, enquanto o multiplicador indica o fator pelo qual a leitura do visor deve ser multiplicada. Por exemplo, uma leitura de tensão de “123.4” na escala de 200m significa 123,4mV. 2) Siga os procedimentos a seguir, preenchendo a tabela 2. a) Ligue o multímetro na escala de tensão 20V DC (corrente contínua); b) Meça a tensão entre os terminais da bateria e da pilha, anotando-­‐os na tabela abaixo; c) Repita o item anterior usando, em sequência, as escalas de 2V, 200mV, 200V e 1000V; OBS: represente com “—” um valor fora de escala (overload). d) Qual escala é mais apropriada para cada medida? Explique. e) Deduza quais escalas de tensão podem ter sido usadas para obter as leiturasi) 55,5V, e ii) 1,99V. (Dica: observe a posição do ponto decimal em cada escala.) 4/8 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 1 •
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EEL/CTC/UFSC Para ligar a fonte de tensão DC de um dos lados da bancada do laboratório (os quais são independentes), ligue primeiro o interruptor do transformador do mesmo lado onde se encontra a fonte; em seguida, ligue o interruptor da fonte. Um LED acenderá indicando que a fonte está ligada. (Ao desligar, o LED demora um pouco a apagar.) Os valores de tensão indicados nos terminais da fonte são obtidos sempre em relação ao terminal indicado por “0V”; por exemplo, 5V é a queda de tensão VAB entre o terminal marcado como “+5V” (ponto A) e o terminal marcado como “0V” (ponto B). 3) Siga os procedimentos a seguir, preenchendo a tabela abaixo. a) Ligue a fonte de tensão da bancada. b) Com a ponteira preta do multímetro em contato com o terminal de referência da fonte (marcado como “0V”), meça as tensõesem cada terminal da fonte, anotando-­‐as na tabela abaixo. Utilize sempre a escala mais apropriada. c) Com a ponteira preta do multímetro em contato com o terminal da fonte marcado como“-­‐
15V”, meça as tensões em cada terminal da fonte, anotando-­‐as na tabela 3. Utilize sempre a escala mais apropriada. d) Usando a fonte de tensão da bancada, você conseguiria produzir uma tensão de aproximadamente 10V? Como? E uma tensão de 25V? •
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Resistores comerciais são identificados por um código de cores que permite determinar sua resistência. Este código de cores está descrito na tabela abaixo (veja também a tabela afixada na parede do laboratório). A 1ª faixa corresponde ao dígito das dezenas, a 2ª faixa corresponde ao dígito das unidades, a 3ª faixa corresponde a um fator multiplicativo, e a 4ª faixa indica a “tolerância” no valor de resistência especificado (isto é, o máximo erro relativo entre o valor especificado e o valor real). Por exemplo, “marrom, vermelho, laranja, prata” corresponde a uma resistência de 12 kΩ ±10% (a qual pode estar situada entre 10,8 kΩ e 13,2 kΩ). Resistores de maior precisão possuem 5 faixas; nesse caso, a 1ª faixa indica o dígito das centenas, e as demais seguem a mesma convenção. Código de cores
1ª faixa: 1º digito 2ª faixa: 2º digito (Ausência) -­‐ -­‐ Prateado -­‐ -­‐ 10-­‐2 = 0,01 10% Dourado -­‐ -­‐ 10-­‐1 = 0,1 5% 0 100 = 1 -­‐ 1% Cores Preto 4ª faixa: Tolerância -­‐ 20% Marrom 1 1 101 = 10 Vermelho 2 2 102 = 100 2% Laranja 3 3 103 = 1 000 3% 4 104 = 10 000 4% -­‐ Amarelo 0 3ª faixa: Multiplicador 4 Verde 5 5 105 = 100 000 Azul 6 6 106 = 1 000 000 -­‐ Violeta 7 7 107 = 10 000 000 -­‐ Cinza 8 8 -­‐ -­‐ Branco 9 9 -­‐ -­‐ 5/8 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 1 EEL/CTC/UFSC 4) Responda as questões a seguir. a) Quais valores de resistências correspondem às seguintes sequências de cores? i) amarelo, verde, marrom, prata; ii) verde, azul, amarelo, ouro; iii) branco, preto, vermelho; iv) marrom, preto, prata, marrom. b) Quais sequências de cores correspondem aos seguintes valores de resistências? i) 22 kΩ ±5%; ii) 6,9 MΩ ±10%; iii) 120 Ω ±2% ; iv) 3,3 kΩ ±20%. •
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Para utilizar o multímetro na função de ohmímetro (medidor de resistência), gire a chave seletora até uma das escalas de resistência, indicadas pelo símbolo “Ω”. As pontas de prova devem estar conectadas usando a seguinte convenção: ponteira preta no terminal indicado por “COM” (comum/referência) e ponteira vermelha no terminal indicado por “V/Ω”. Para medir a resistência equivalente entre os pontos A e B, uma das ponteiras deve ser conectada ao ponto A e a outra ao ponto B, não importando a ordem entre elas; Cada escala do multímetro é rotulada com um número seguido possivelmente de um multiplicador (ex: 200K); o número indica o maior valor que pode ser medido nesta escala, enquanto o multiplicador indica o fator pelo qual a leitura do visor deve ser multiplicada. Por exemplo, uma leitura de resistência de “123.4” na escala de 200K significa 123,4kΩ. 5) Qual escala do multímetro é mais apropriada para medir a resistência dos seguintes resistores? 6) Para cada um dos três resistores fornecidos, realize o que se pede, preenchendo a tabela 4. a) Determine a resistência especificada pelo fabricante (valor comercial) utilizando o código de cores. Não esqueça de indicar a tolerância. b) Meça a resistência utilizando o multímetro sempre na escala mais apropriada. Não esqueça de indicar a unidade associada a cada valor medido. c) A resistência medida esta situada dentro da tolerância especificada pelo fabricante? Caso não esteja, experimente refazer os itens anteriores. 6/8 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 1 EEL/CTC/UFSC Aluno(a): ___________________________________________________________. Matricula: ___________________ Turma: _____________________________ Data: _____/_____/___________ Nota: ________________________ Tabela 1
Prefixo Símbolo Equivalente decimal p 10-­‐12 = 0,000 000 000 001 n 10-­‐9 = 0,000 000 001 μ 10-­‐6 = 0,000 001 mili 10-­‐3 = 0,001 quilo 103 = 1 000 M 106 = 1 000 000 G 109 = 1 000 000000 Tabela 2
Escala 200mV 2V 20V 200V 1000V Bateria Pilha Questão 2.d)
Questão 2.e)
i) 55,5V ii) 1,99V ________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________ Tabela 3
Tensão (ref: 0V) Escala Tensão (ref: -­‐15V) Escala 0V 0 V +5V +15V -­‐15V 0 V 7/8 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 1 EEL/CTC/UFSC Questão 3.d)
Questão 4.a)
i)
ii)
iii)
iv)
amarelo, verde, marrom, prata verde, azul, amarelo, ouro branco, preto, vermelho marrom, preto, prata, marrom ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Questão 4.b)
ii)
iii)
iv)
v)
22 kΩ ±5% 6,9 MΩ ±10% 120 Ω ±2% 3,3 kΩ ±20% ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Questão 5)
a)
b)
c)
d)
1,8 kΩ 7 Ω 654321 mΩ 0,0256 kΩ ________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________ Questão 6)
Resistor Valor comercial Resistência medida Escala Confere? R1 R2 R3 Questão de preparação
Dê exemplos de materiais que são bons condutores, materiais que são bons isolantes e materiais utilizados na fabricação de resistores. Quais desses podem ser encontrados em sua residência? 8/8