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Prática 1: INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS
Objetivos
Nesta prática faremos alguns experimentos simples sobre circuitos elétricos abordando os seguintes conteúdos: circuitos em série e em paralelo, leis de Kirchhoff e resistência equivalente. Você vai aprender a montar circuitos simples (utilizando fios, pilha ou fonte de tensão, lâmpadas, resistores) e a medir as correntes e tensões.
Introdução
Trabalharemos com dois tipos de fonte de energia elétrica: as de origem eletroquímica (pilhas e baterias) e as de origem física (alternadores, dínamos, usinas termo ou hidroelétricas e células solares). Estas fontes de energia elétrica podem nos fornecer corrente e tensão elétrica de dois modos distintos: contínua ou alternada. Logicamente, para estabelecermos correntes elétricas utilizaremos componentes elétricos tais como resistências, capacitores, indutores e associações dos mesmos, os quais serão apresentados no decorrer do curso. Para medirmos as grandezas corrente e tensão elétrica utilizaremos os seguintes instrumentos: amperímetro, voltímetro e osciloscópio. Nesta primeira prática usaremos apenas fontes de tensão contínua, resistores, amperímetro e voltímetro. Nota didática O roteiro desta prática foi feito visando o aluno que não tem conhecimento prévio , tanto teórico quanto prático, do assunto. Os conceitos teóricos de circuitos elétricos, circuitos em série e em paralelo, etc. serão introduzidos ao longo do roteiro. Os experimentos serão feitos em ordem crescente de dificuldade e complexidade. Pretendemos que o estudante desenvolva os conceitos físicos e habilidades de raciocínio científico, paulatinamente, através de experimentos. Para tal, é importante que todos os estudantes do grupo leiam atentamente o roteiro, seguindo a ordem sugerida. É importante que sejam discutidas e registradas por escrito todas as questões ou experimentos seguindo a ordem proposta no roteiro (quando houver divergência de opinião entre os estudantes do grupo, isto deverá ser registrado). As dúvidas relativas a cada experimento ou seção devem ser esclarecidas (através de discussões entre o grupo e/ou monitoradas por um instrutor) antes de dar prosseguimento aos outros experimentos. O relatório consiste na resposta a todas as questões apresentadas ao longo do roteiro assim como outros dados, tabelas, gráficos, etc. assim como observações que o grupo julgar pertinente as discussões e justificativas apresentadas. Ele deve ser feito ao longo da prática. Não é necessário descrever o que já está descrito no roteiro prática nem
copiar as Figuras do roteiro, pois supõe-se que o leitor (o professor) tenha o roteiro da prática em mãos durante a leitura do relatório.
Experimentos
I. Circuitos simples A. Examinem a lâmpada incandescente (Figura 0 1 ). Dois fios ligam o filamento do bulbo a sua base. Onde estes fios são conectados? Figura 1 - Lâmpada B. Montem o circuito da Figura 2, utilizando uma fonte de tensão variável, ajustada para ~ 10V. Observem como o brilho da lâmpada pequena (de “tape”) varia quando a tensão é variada entre 0 e 10V. Observação: se tiverem dúvida, peçam ajuda de um instrutor. (professor, técnico ou monitor). Figura 2 – Circuito com uma lâmpada. Modelo Baseando-se em nossas observações faremos as seguintes pressuposições (hipóteses):
- Num circuito completo existe um fluxo de um terminal da bateria, através de todo o resto do circuito, retornando ao outro terminal da bateria e através dela (um circuito fechado). A partir de agora, chamaremos este fluxo de corrente elétrica.
- No caso de lâmpadas idênticas, o brilho das lâmpadas pode ser usado como um indicador da magnitude (valor) da corrente que atravessa a lâmpada: quanto maior o brilho da lâmpada, maior é a corrente. Com estes pressupostos desenvolveremos um modelo que utilizaremos para explicar o comportamento de circuitos simples. A construção de um modelo científico é um processo passo a passo no qual se deve especificar apenas o número mínimo de atributos necessários para explicar os fenômenos a serem considerados. II. Circuitos em série Montem um circuito com duas lâmpadas idênticas, colocadas uma após a outra como mostrado na Figura 3. Lâmpadas conectadas desta maneira são ditas estar em série. Use V~10 V. A. Comparem o brilho das duas lâmpadas, ou seja, o brilho da primeira lâmpada é maior, menor ou aproximadamente igual ao da (^) Figura 3
B.
1. O brilho de cada lâmpada do circuito com duas lâmpadas em paralelo (Fig. 4) é maior, igual ou menor do que no caso de uma do circuito de uma única lâmpada (Fig.2)? 2. Comparem a corrente através da fonte conectada a uma única lâmpada com o caso das duas lâmpadas em paralelo. Expliquem, baseando-se em suas observações. C. 1. Como a corrente através da fonte irá variar (aumentar, diminuir ou permanecer a mesma) se o número de lâmpadas conectadas em paralelo aumentar ou diminuir? 2. O que vocês podem inferir a respeito do comportamento da resistência total do circuito com o aumento do número de lâmpadas em paralelo? 3. Concluindo, a corrente através da fonte depende do número de lâmpadas do circuito e do modo no qual elas estão conectadas? 4. No circuito de duas lâmpadas em paralelo, retire uma das lâmpadas. Isto muda significativamente a corrente no outro ramo do circuito que contém a outra lâmpada? A característica de uma fonte ideal é que todos os ramos conectados em paralelo através dela são independentes um dos outros (a corrente em cada ramo é independente da dos outros). IV. Corrente e resistência A. O circuito (Figura 5), contém três lâmpadas idênticas, uma fonte ideal e uma chave de resistência desprezível. Utilize o modelo que desenvolvemos para: Figura 5
- Prever o brilho relativo das lâmpadas quando a chave está fechada (registre por escrito).
- Prever como o brilho da lâmpada A muda quando a chave está aberta (registre por escrito).
- Agora monte o circuito (com V~ 15V) e verifique suas previsões. Para cada circuito acima, compare a corrente nas lâmpadas.
V. Curto-circuito A. O circuito ao lado possui três lâmpadas idênticas associadas em série e uma chave.
1. Prever o que ocorre com o brilho das lâmpadas A , B e C quando a chave é fechada. 2. Agora monte o circuito (com V~ 10V) e verifique suas previsões. Figura 6 Em funcionamento normal uma resistência (ou lâmpada), como na Figura ao lado, recebe uma corrente que passa pelo circuito ABCDEF. Se fecharmos a chave, de modo que haja contato elétrico entre os pontos B e E , uma nova corrente será estabelecida, passando apenas pelo circuito ABEF (praticamente nenhuma corrente passará pela lâmpada). Como este circuito é constituído apenas por fios, sua resistência é praticamente nula e, então, a intensidade da corrente torna-se muito elevada e pode danificar a fonte de tensão (ou pilha). Figura 7 NÃO REPRODUZA O CURTO-CIRCUITO DA FIGURA ACIMA! Quando isso ocorre, dizemos que está havendo um curto-circuito nos pontos B e E. Por extensão, toda vez que dois pontos de um circuito qualquer são ligados por um fio de resistência praticamente nula, dizemos que estamos estabelecendo um curto-circuito entre esses pontos. Por exemplo, no experimento anterior (das lâmpadas A, B e C) colocamos a lâmpada C em curto-circuito quando a chave é fechada. B. A Figura ao lado nos mostra um circuito com três lâmpadas idênticas. Prediga o que acontecerá em cada uma das situações descritas a seguir. 1. Suponha que a lâmpada C seja removida. O que ocorrerá com o brilho das lâmpadas A e B? Explique seu raciocínio. 2. Se um fio for ligado entre os pontos 1 e 2 , ocorrerão mudanças no brilho das lâmpadas A , B e C? Explique seu raciocínio. Figura 8 3. Suponha agora que o fio esteja conectado entre os pontos 2 e 3. O que acontecerá ao brilho de cada lâmpada? Explique seu raciocínio. 4. Realize os experimentos propostos (1-3) e verifique suas previsões. Use V~ 10V.
A. Montem o circuito Figura 9, utilizando uma fonte de tensão ajustada para ~10V, uma lâmpada e um multímetro ajustado para funcionar como amperímetro, na escala de 200 mA. Observação: Peça assistência de um instrutor antes de ligar o circuito. Note que cada função do multímetro exige um tipo específico de conecção. Façam a medida da corrente, ou seja, registrem o valor indicado no amperímetro. Observem o que ocorre se os terminais da fonte forem trocados (invertidos). Figura^9 B. Qual deverá ser o valor da corrente no circuito da Figura 10? Façam a medida, comparem o valor da corrente dos dois circuitos (Fig. 9 e 10) e discutam os resultados. Obs: é importante considerar a incerteza das medidas. C. Montem o circuito da Figura 11 com uma fonte, um amperímetro, uma chave em série com dois resistores iguais (R = 220Ω) em paralelo. Meçam o valor da corrente. Figura 1 0 obs: usualmente representa-se um resistor com o símbolo. D. Com o mesmo amperímetro, meçam o valor da corrente em cada resistor. Para isso, desloque um dos terminais do resistor para “outro” ponto na placa, ligando o amperímetro entre esse ponto e o de onde você retirou o resistor. Comparem os valores obtidos com o do item C (lembrem-se da incerteza de cada medida e sua propagação). Figura 1 1 O experimento anterior ilustra que a corrente pode mudar em pontos do circuito onde vários elementos estão conectados. Estes pontos, tais como os pontos A e B da Figura 12 , são chamados de nós. A identificação dos nós é uma etapa importante no desenho de circuitos já montados. Figura 12 O diagrama anterior, da figura 12, ilustra o caso de um nó conectado a três fios, ou três vias (vide pontos A e B no diagrama). Geralmente, os condutores (fios) são representados por linhas e os nós (junções das linhas) podem ser representados de diversas formas:
Figura 13 – Diagrama esquemático de nós Os diagramas da Figura 14, também ilustram a conservação da corrente. Deve-se considerar que i 1 e i 2 estão entrando no nó, enquanto as outras correntes saem do nó; logo:
i 1 + i 2 = i 3 + i 4 + i 5
A corrente total que sai do nó é igual à corrente total que entra no nó, ou seja: Figura 14 A soma algébrica das correntes num determinado nó é zero! Expressar a primeira lei de Kirchhoff, tal como enunciado acima, equivale a atribuir o sinal positivo para a corrente entrando no nó e o sinal negativo para a corrente que sai do nó, ou vice-versa. VII. Diferença de Potencial A. Montem o circuito da Figura 1 5 e, com o auxílio de um voltímetro 2 , meçam a diferença de potencial na lâmpada (VL) e na fonte de tensão (VF). O indicador da fonte deve estar ajustado para ~ 10V. Comparem os valores medidos VL e VF. (^) Figura 1 5 Aumentem um pouco (até ~20%) o valor da tensão (ou diferença de potencial) da fonte e observem como varia o brilho da lâmpada. Diminuam um pouco o valor da tensão e observem novamente o que ocorre. Quando a tensão da fonte aumenta a corrente no circuito se altera? Como? Justifiquem. B. Adicionem mais uma lâmpada em série ao circuito anterior tal como mostrado na Figura 1 6 (o valor da tensão da fonte deve ser o mesmo daquele do caso A ). Comparem o valor das correntes através das lâmpadas L 1 e L 2 , comparando-as com o caso A (Fig.1 5 ) de uma única lâmpada. Chamem estas correntes de i 1 , i 2 e iA , respectivamente. Figura 1 6 (^2) Homenagem ao cientista italiano Alessandro Volta (1745 – 1827)
B. Lâmpada. 1. meçam a corrente em uma lâmpada para V=10 (tal como feito no experimentoV.A).
- repetir a medida no caso V=5V. 3. Meçam o valor da resistência da lâmpada, desconectado do circuito, com um ohmímetro. 4. A partir destes dados, o que vocês podem inferir sobre o comportamento I x V da lâmpada, ele é linear? Este comportamento é semelhante ao do resistor (parte A)? O que é semelhante, o que é diferente? 2. A lei de Ohm é válida para a lâmpada? O que pode estar ocorrendo? 3. Façam a medida detalhada e o gráfico de I x V da lâmpada (tal com feito no item A para o resistor)
Lista de materiais para esta prática.
3 lâmpadas incandescentes (6V) Fonte de tensão variável (0 - 15V, 1A) 2 multímetros digitais Resistores (dois de 220Ω) 6 cabos banana - banana Placa de circuitos
Exercícios
1 ).Neste exercício, três estudantes fizeram os seguintes prognósticos com as respectivas explicações das luminosidades relativas das lâmpadas A, B e C. Identifique qual estudante, se algum deles, fez o raciocínio incorretamente, e determine o que está errado em seu raciocínio. Estudante 1 “B e C brilharão menos que A. A lâmpada A fica com toda a corrente da bateria mas a lâmpada B e C a dividem. “ Estudante 2 “A, B e C brilharão todas igualmente. Todas têm a mesma voltagem através delas” Estudante 3 “A, B e C brilharão igualmente. Cada uma tem a mesma resistência, e cada uma está conectada diretamente através da bateria, assim cada lâmpada tem a mesma quantidade de corrente através dela. Então elas são igualmente brilhantes.” 2 ).Neste exercício, três estudantes fizeram previsões (ou prognósticos) com explicações sobre luminosidades relativas das lâmpadas A, B e C. Identifique qual estudante, se algum deles, está raciocinando incorretamente, e determine o que está errado em seu raciocínio.
Estudante 1 “B e C brilharão menos que A. B e C tem a corrente divida enquanto A tem toda ela.. “ Estudante 2 “B e C brilharão igualmente mas menos que A. B e C dividem a voltagem da bateria enquanto A tem toda ela.” Estudante 3 “A é mais brilhante que B e B é mais brilhante que C. B gasta um pouco da corrente, assim menos corrente passará para C e A fica com toda a corrente, assim brilhará mais.” 3) a. Faça um prognóstico sobre a luminosidade relativa das lâmpadas no circuito ao lado. Justifique. b. O que acontecerá com o brilho das lâmpadas A e B se a lâmpada C for desrosqueada (desconectada do circuito). Explique seu raciocínio. c. Considere as seguintes argumentações de dois estudantes: A B (^) C Estudante 1 “Desrosqueando a lâmpada C se remove um trajetória (caminho) para a corrente. Assim a resistência do circuito aumenta e a corrente através da bateria e das lâmpadas que ficaram diminui. Assim as lâmpadas A e B brilharão menos.” Estudante 2 “Eu concordo que a lâmpada A brilhará menos, mas eu discordo sobre a lâmpada B. Antes de você desrosquear a lâmpada C, somente parte da corrente através da lâmpada A fluía para a lâmpada B. Posteriormente, toda a corrente através da lâmpada A flui através da lâmpada B. Assim a lâmpada B será mais brilhante.” Você pode dizer que os estudantes deram a resposta completa? Justifique. 4 ) No circuito ao lado A, B, C, D, e E representam lâmpadas idênticas. Classifique as lâmpadas em ordem crescente de luminosidade. 5 ): Faça o diagrama correspondente a cada um dos circuitos ao lado. 6 ) Os dois circuitos a) e b) abaixo estão desenhados de uma maneira não usual. Faça o diagrama correspondente a estes circuitos. a) b) Os circuitos a) e b) podem ser representados por algum dos diagramas 1 – 4 (vide acima à direita)? E C Vo A D B
11 ). O circuito ao lado contém diversos elementos elétricos diferentes. (As diferentes formas representam tipos diferentes de elementos) Encontre a corrente através dos elementos M e N.
12. O circuito ao lado possui três lâmpadas idênticas associadas em série e uma chave de resistência desprezível. Preveja o que ocorre com o brilho das lâmpadas A , B e C quando a chave é fechada. 14. No circuito ao lado considere que as lâmpadas são idênticas e a bateria como sendo ideal. Classifique o brilho (luminosidade) das lâmpadas (1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7). (escreva, por exemplo, B 1 > B 2 > B 3 > B 4 > B 5 = B 6 =B 7 , onde Bi indica o brilho da lâmpada i). Justifique sua resposta. Respostas. 1.) Estudante 1. 2.) Estudante 3. 3.) a.) A > B = C. b.) O brilho de B aumenta e o de A diminui. c.) Estudante 2 possui a resposta mais completa. 4.) D e E, C, A e B. 7.) B2 é o mais forte, seguido de B1 e então B3. 8.) i.) 1 e 2, (3, 4 e 5) e 6 ii.) mesma ordem iii.) 2 se apaga iv.) 3 aumenta e 6 diminui 9.) a.) 1 = 4 e 2 = 3 b.) 2
10.) M = 0,25A K e L = 0, 11.) N = 2A ; M = 3A 12.) A, B e C se apagam 13.) B1>B2=B3>B7>B6>B4=B
