EEL7011 Eletricidade Básica Aula 1

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1 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: i = dq 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 !!" C, a corrente elétrica correspondente ao fluxo de elétrons durante 10 segundos é i = =1.6A 1/8

2 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 V AB, corresponde à tensão em A (V A) medida em relação à tensão em B (V B), como mostra a figura abaixo. Por convenção, a corrente elétrica flui do potencial mais elevado (+) para o potencial mais baixo (- ). V AB = V A V B V BA = V AB V BA = V B V A = (V A V B )= V AB 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: V AD = V AB + V BC + V CD = 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. V AB = V A =0 {}}{ V B = V A Terra do circuito 2/8

3 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

4 Roteiro de Laboratório Aula 1: Fontes de Tensão e Resistores Objetivos 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 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. 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, V AB, 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 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

5 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 V AB 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? 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 Cores 1ª faixa: 1º digito 2ª faixa: 2º digito 3ª faixa: Multiplicador 4ª faixa: Tolerância (Ausência) % Prateado = 0,01 10% Dourado = 0,1 5% Preto = 1 - Marrom = 10 1% Vermelho = 100 2% Laranja = % Amarelo = % Verde = Azul = Violeta = Cinza Branco /8

6 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%. 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 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

7 Aluno(a):. Matricula: Turma: Data: / / Nota: Tabela 1 Prefixo Símbolo Equivalente decimal p n μ = 0, = 0, = 0, mili quilo 10-3 = 0, = M G 10 6 = = Tabela 2 Escala 200mV 2V 20V 200V 1000V Bateria Pilha Questão 2.d) Questão 2.e) Tabela 3 i) 55,5V ii) 1,99V Tensão (ref: 0V) Escala Tensão (ref: - 15V) Escala 0V 0 V +5V +15V - 15V 0 V 7/8

8 Questão 3.d) Questão 4.a) i) amarelo, verde, marrom, prata ii) verde, azul, amarelo, ouro iii) branco, preto, vermelho iv) marrom, preto, prata, marrom Questão 4.b) ii) 22 kω ±5% iii) 6,9 MΩ ±10% iv) 120 Ω ±2% v) 3,3 kω ±20% Questão 5) a) 1,8 kω b) 7 Ω c) mω d) 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