Dispositivos Eletricos

Laboratório de Física ­ UVV
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Comportamento VxI de Dispositivos Elétricos
Objetivos:
●
Estudar o comportamento corrente x tensão de dispositivos elétricos;
●
Opera fonte de corrente, tensão regulada.
Material:
●
2 multímetros (1 como Amperímetro e outro como Voltímetro);
●
1 resistor de centena de Ohms (até 560Ω);
●
1 proto-board;
●
1 lâmpada incandescente.
Parte 1: Lâmpada Incandescente
Uma lâmpada incandescente é composta por um fio metálico, geralmente de tungstênio,
protegido por um bulbo de vidro, imerso em uma atmosfera pobre em oxigênio ou vácuo. Pela
passagem de uma corrente elétrica o fio de tungstênio incandesce, sem queimar pela falta do
oxigênio, produzindo luz e calor. Por conta deste princípio de funcionamento, lâmpadas
incandescente geralmente produzem uma grande quantidade de calor, geralmente em torno de
95% da energia dissipada, enquanto que apenas 5% da energia é convertida em luz.
Montagem
Para este experimento será necessário monitorar o comportamento da corrente sobre a
aplicação de um potencial elétrico sobre a lâmpada. Para isto monte o circuito abaixo, utilizando
a fonte de alimentação DC, dois cabos banana - jacaré e a lâmpada, Figura 1-a.
A
A
V
V
+
-
Lâmpada
+
Lâmpada
-
V
(a)
(b)
Figura 1: Montagem (a) inicial e com a (b) adição do Amperímetro e do
Voltímetro
Em seguida adicione um Amperímetro e um Voltímetro para monitorar a corrente e a tensão
sobre a lâmpada, Figura 1-b.
Experimento
As lâmpadas disponíveis no laboratório possuem potências nominais de 2 a 4W, sob tensão de
operação de 12V. Estas características nominais geralmente vem escritas na base metálica da
lâmpada. Se necessário remova-a da base para fazer a leitura e preencha os dados abaixo:
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Valores Nominais
Valores Calculados
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Escalas
Potência (W):
_____________
Corrente (mA)
_____________
Corrente
_____________
Tensão (V):
_____________
Resistência (Ω)
_____________
Tensão
_____________
Calcule a Corrente e a Resistência da lâmpada e determine as escalas de Tensão e Corrente
antes de ligar os equipamentos.
Embora a tensão nominal da lâmpada seja de 12V, neste experimento a intenção é estressar os
dispositivos, que neste caso será feito com a aplicação de até 20V sobre a lâmpada. Isto não
oferece risco algum a não ser por queimaduras, caso toque o bulbo de vidro da lâmpada. A
intensão é intensificar os efeitos térmicos no filamento, alterando a resistência do tungstênio
com o aumento da sua temperatura1.
Iniciando com a tensão em 0V, aumente seu valor de um em um Volt até aproximadamente
20V, sempre anotando os valores da corrente e da tensão na tabela abaixo.
Atenção: Durante todo o experimento apenas aumente o controle de tensão/corrente e jamais
o abaixe para ajustar a algum valor desejado. Caso a tensão/corrente passe do valor desejado,
anote-o e prossiga o experimento.
V (V)
I (__A)
V (V)
I (__A)
V (V)
I (__A)
Parte 2: Resistor
O próximo dispositivo será um resistor de centenas de Ohms 2. Repita a montagem da Figura 1,
substituindo a lâmpada pelo resistor, no entanto os valores de tensão e corrente são diferentes
dos utilizados para a lâmpada. Em geral este resistor não comporta uma tensão de 20V em seus
terminais.
Por isto, antes de iniciar o experimento, calcule a tensão e a corrente máxima para o resistor,
supondo uma dissipação de uma potência máxima de 0,50W, sobre o resistor. Anote seus
valores na tabela a seguir:
1
2
Veja descrição no final do roteiro, seção Relatório.
Use um resistor de 100Ω até 560Ω, para poder operar com tensões inferiores a 20V.
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Valores Nominais
Valores Calculados
3
Potência (W):
0,50
Resistência (Ω):
_____________
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Escalas
Corrente (mA)
_____________
Corrente
_____________
Tensão (V)
_____________
Tensão
_____________
Atenção: Sobre o resistor será queimado duas vezes a potência nominal (de 0,25W), o que fará
com ele aqueça muito, podendo causar queimaduras. Portanto evite tocar o resistor durante e
após o experimento.
Em seguida, zere o valor da tensão na fonte e selecione as escalas de corrente e tensão.
Escolha um intervalo de tensão que lhe permita realizar de 10 a 20 medidas e proceda com as
medidas como no experimento anterior, anotando as medias na tabela a seguir:
V (V)
I (__A)
V (V)
I (__A)
V (V)
I (__A)
Parte 3: Diodo
O diodo é um dispositivo semicondutor, com um comportamento muito distinto sobre diferentes
polarizações e por isto, neste último ensaio, será realizados em dois experimentos: polarização
direta e reversa. A Figura 2 apresenta a representação gráfica do diodo, empregada em
circuitos elétricos.
Anodo
Catodo
Símbolo
Dispositivo
Físico
Figura 2: Representação gráfica do
diodo, acima, e dispositivo, abaixo
Como mostrado na Figura 2, na simbologia do diodo, os seus terminais são distinguidos por
Anodo e Catodo. Na polarização direta a corrente (fluxo de cargas positivas) entra pelo Anodo e
sai pelo Catodo, enquanto que na polarização reversa a corrente entra pelo Catodo e força a
passagem para o Anodo.
3
A potência nominal destes resistores é de 0,25W, no entanto será queimado o dobro, 0,50W neste experimento.
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Polarização Reversa:
A polarização reversa é o procedimento mais simples e por isto será o primeiro experimento a
ser realizado. Na polarização reversa a corrente através do diodo será muito pequena e por isto
deve ser usado a menor escala no amperímetro. Coloque o diodo no circuito, polarizado
conforme a Figura 3-a e realize os procedimentos a seguir:
A
A
V
I
+
Diodo
-
V
+
Diodo
-
V
(a)
(b)
Figura 3: Montagem do circuito na (a) polarização reversa e (b) direta.
Faça três a cinco medidas da corrente e da tensão, no intervalo de 0 a 1V, preenchendo a
tabela a seguir:
V (V)
I (__A)
Anote as tenções nesta tabela como sendo valores negativos. Em seguida aumente a tensão
reversa até 20V e anote o comportamento observado:
Remova um dos terminais do voltímetro e anote o observado:
Polarização Direta
Para a polarização direta não basta apenas inverter o diodo. Para este experimento será
necessário operar a fonte no modo corrente. Para isto execute as operações a seguir:
✗
remova um dos cabos da fonte e em seguida ajuste a sua tensão em aproximadamente
2,5V;
✗
em seguida zere o ajuste de corrente até que a luz vermelha da fonte acenda. Após isto
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o display de tensão/corrente deve ir para zero, ou próximo disto. Este comportamento é
esperado;
✗
altere a escala de corrente, no amperímetro, para 10A (não se esqueça de mudar o pino
banana para o terminal de 10A);
✗
coloque o voltímetro na escala de 2000mV;
✗
reconecte os cabos da fonte de alimentação.
Feito isto o sistema está ponto para operar no modo corrente.
Atenção: Deste momento em diante os ajustes de tensão não devem ser alterados.
Faça as medidas executando os procedimentos a seguir:
✗
aumente o controle de corrente lentamente até que alguma corrente seja registrada no
amperímetro (tipicamente 0,01A);
✗
neste momento anote o valor da corrente e da tensão;
✗
aumente o controle de corrente até que seja medido 0,10A e anote novamente a tensão
e a corrente;
✗
repita o processo, aumentando a corrente para 0,20A, 0,30A, …, até em torno de 1,1A.
Os incrementos na corrente de 0,10A podem não ser facilmente ajustado, no entanto não é
necessário que sejam exatamente 0,10A. Caso passe do valor desejado, não tente ajustar a
corrente abaixando-a, anote o seu valor ajustado e continue o experimento. Preencha a tabela a
seguir com as medidas.
V (V)
I (__A)
V (V)
I (__A)
V (V)
I (__A)
Relatório
No dispositivo de fio metálico, é esperado que a resistividade aumente com a temperatura. Para
pequenas variações de temperatura, este aumento é praticamente linear, sendo dado pela
equação:
ρ−ρ0=ρ0 α (T −T 0 )
(“Fundamentos da Física - Eletromagnetismo”, Halliday & Resnick, 8ª ed., pág 149, eq. 26-17),
onde ρ0 é a resistividade a 0K, T 0 a temperatura inicial e α uma constante empírica.
Supondo que a Temperatura aumente linearmente com a corrente elétrica, na forma:
T =γ i+ T 0
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Mostre que a tensão, em função da corrente, é expresso por um polinômio de 2ª ordem.
V (i)=R0 i+ R 0 α γ i
2
onde R0 é a resistência a corrente muito pequenas,
dependem das características do material.
α
e
γ
são duas constantes que
Formulário:
ρ−ρ0=ρ0 α (T −T 0 ) Resistividade em função da temperatura (aproximação em 1ª ordem)
R=
ρL
A
Resistência em função da resistividade
T =γ i+ T 0
aproximação da dependência
(aproximação em 1ª ordem)
V =R i
Lei de Ohm
P=V i=R i 2=
da
temperatura
com
a
corrente
2
V
R
Definição de Potência e Potência em resistores
Composições:
R(T )=R 0 (1−α T 0 )+ R0 α T
Resistência em função da temperatura (aproximação em 1ª ordem)
R(i)=R0 + R0 α γ i
Resistência em função da corrente (aproximação em 1ª ordem)
R0=
ρ0 L
A
Resistência para correntes muito pequenas ( i→0 )
V (i)=R0 i+ R 0 α γ i 2 Tensão em função da corrente para resistores não Ôhmicos