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Física ExperimentalAula 3

2008 - 2009

07-10-2008 Física Experimental - V. E. 2

Aula_2Instrumentos de medida I

Modelos de multímetros


T0 - Instrumentos de medida IMultímetro : A – Amperímetro V - Voltímetro


VoltímetroCaracterísticas do Galvanómetro (R=500 Ω, I = 1 mA)

Resistências em série


Escalas: 1 V – 10 V - 100 V- 1000 V


Impacto do voltímetro sobre o circuito

Voltímetro em paralelo …


Amperímetro


Amperímetro –Modelo simplificado


Amperímetro – EscalasShunt !


Escalas -Amperímetro

Resistências de shunt - várias escalas


Cálculo correntes (Lei das malhas)


Trabalhos experimentaisImpacto do amperímetro


Impacto do Amperímetro


T0- Ligação esquemáticaVoltímetro (em paralelo) com a resistência R do circuitoAmperímetro (em série) com a resistência R do circuito


Análise das experiências: #1-#2

Exp#1 – Determinação experimental de R


TO – Gerador de tensão (ajustável)

Rever : EXCEL (ajuste linear)

DC, ajustável


Díodo de sinal e de um LED

Trabalho 1 -Curva i - v de um díodo de sinal e de um LED


Estudo do díodo

Gráfico I-V diodo


Diodo rectificador meia – ondaA C D C⇒∼


Lógica BooleanaPorta lógica : AND (E)

Lógica positivaSe (ambos) A e B : 12 V Se A ou B : massa

12Z V⇒ =0.6Z V⇒ =


Díodo Zener

(regulador tensão)


Díodos de vários tiposDíodos de potência, de sinal, Zener, LED,…

Exemplos


Símbolos para díodos de uso corrente

SinalLed

ZenerFotodíodo


Príncipio de funcionamento de um díodo Zener

Díodo ZenerLigação com polariação inversa


Curva característica de um díodo ZENER

Interpretação


Corrente de díodo ID

( 1)D

B

qVk T

Diodo SI I e= −

:: . . .

: arg:

: tan

300 , 27

S

D

Bo

I corrente de saturaçãoV D d p nas extremidades do díodoq c a do electrãoT Temperatura absolutaK cons te de Boltzmann

T K t C= =


T0- Ligação esquemática - QUESTÃO-Voltímetro (em paralelo) com a resistência de carga R do circuito ou R+A

- Amperímetro (em série) com a resistência de carga R do circuito

: Re: Re: Re

V

A

R sistência externa do circuitoR sistência do voltímetroR sistência do amperímetro


Questão proposta : (Fig.anterior (esq) : Q2 - HoLab1-B.pdf)

Resposta:

oAmperimetrsistA

sistenciaL

oEquipamentA

M

A

ALAM

RRIVsejaou

IpormembrososambosDivindoOhmdeLeiRRIV

_ReRe

::

:)(

+=

⇒+=

Re

:

:ML A L

A sistenciaEquipamento

ou aindaV R quando R RI

≅ <<


INTRODUÇÃO – ElectrónicaDigital e analógica

0 0

:

: / / 0

( )

:arg

arg

AB

Qt

t

V diferença de potencialUU q V Vq

Potencial de referência Terra massa V

dQI I dt dQ Q I tdt

Potência P V ITrabalho c aV I

c a tempo

= ⇒ =

=

= ⇒ = ⇒ = ∆

=

= ×

∫ ∫



Resistência-Condensador-Indutor

Física proporciona as bases para a electrónica

2

2

22

Re :1:2

1:2

arg:arg

:

1. ( ) 0 :

AB

C

L L

R

iMalhas

sistência V RI

Condensador Q C V U CV

dIIndutor V L U Lidt

Trabalho c aPotência P V Ic a tempo

VP VI I R dissipada como calorR

Leis de Kirchhoff

V A soma das quedas tensão ao longo

∆ =

= ⇒ =

= ⇒ =

⇒ = = ×

= = = ⇒

∆ =∑ .

2. : lgin out

de uma malha é zero

i i A soma a ébrica das correntes num nó énula=∑ ∑



Aplicação das leis de Kirchhoff

Suficiente para obter equações algébricas que permitem a solução das incógnitas para qualquer circuito

SimplificaçãoAssociação

SérieParalelo



1 2

1 11 2

1 2 11 2

Re: ...

1 1 1 1: ... ... ; ...

:1 1 1: ;

n neq n

eq

Todavia o trabalho pode ser reduzido através das associaçõessistências

Série R R Percorridas pela mesma corrente I

Paralelo V V I IR R R R

Condensadores

Série Q Q VC C C

+ + ⇒

= + + + ⇒ = = ≠ ≠

= + ⇔ = ≠ 2 1 2

1 2 1 2 1 2 1 2: ,

:: ( )

: (

eq

V com C C

Paralelo C C C V V Q Q com C C

IndutoresSérie semelhante à das resistênciasParalelo semelhante à das resistências

≠

= + ⇔ = ≠ ≠



Divisor de tensão: Divisor corrente

2

2

2

1 2

out

R in

V I RRV V

R R

= ×

= ×+

2

1

1 2

2

11 2

21 2

out

R

R

I I IVIR

II RR R

II RR R

= +

=

= ×+

= ×+



LimitaçõesResistência de carga : RL

2

2 2

: dim Re

: int !

L eq L

out

L eq

out

Se R R R R

V inui sultado aproximado

Se R R R R

V nao roduz erro

>> ⇒ ≈

⇒ ⇒

<< ⇒ ≈

⇒



Condensador

Processo de carga

0 :

1 . var

( ) (1 )t

RC

QV IR Lei das malhasC

dQ QR Vdt CdQ dt Eq diferencial iáveis separadas

Q CV RC

Q t CV e−

− + + =

= −

= − ⇒−

= −

V


INTRODUÇÃO – Electrónica

Condensador descarga (posição 2)

0

0

0 :

: dim ,

( ) ( tan de t )

tRC

tRC

Q IR Lei das malhasC

dQI Q inui enquanto I fluidt

dQ QRdt C

Q Q eou

QI t e com RC cons te empoRC

τ

−

−

− + =

= −

= −

=

= ⇒ =


Curva de carga e de descarga do condensador

Representação gráfica


Indutor : Processo de carga

Processo de carga

0 :

. var

( ) (1 )

: log exp ( )arg

fonte

R tL

C

dIV L IR Lei das malhasdt

L dI V IR dt R

dI R dt Eq diferencial iáveis separadasV LIR

VI t eR

CONCLUSÂO formalmente aná a à ressão V tno processo de c a

−

− + + =

= −

= − ⇒−

= −


Indutor: Tensão aos seus terminais : VL

Tensão aos terminais do indutor (bobina)

L

R tL

diV Ldt

diL V edt

−

=

=


AC – Corrente/tensão alternadaFontes: baterias, pilhas secas, … (limitações!)

tdm ωεε sin=

)sin( φω −= tIi d

.

B

B

ddt

d B dS

φε

φ

= −

=

Escovas


Baterias NiMH

Nickel/Metal Hydride (NiMH)Ánodo: Terras raras ou ligas de niquelcom muitos metaisCátodo: Hidróxido de Ni

Electrólito: Hidróxido de potássioAplicações: Telemóveis, ferramentas, laptops, veículos eléctricos, …


Bateria : NiMH

Reacções eléctrodosÁnodo

MH + OH- —> M + H2O + e-0.83

CátodoNiOOH + H2O + e- —> Ni(OH)2 + OH-0.52

GLOBAL

NiOOH + MH —> Ni(OH)2 + M+1.35

Os ánodos usados nestas células são complexos de vários metais tais como : V, Ti, Zr, Ni, Cr, Co, e (!) Fe.


Bateria : NiMH

+0.52NiOOH + H2O + e- —> Ni(OH)2 +OHCatodo

-0.83MH + OH- —> M + H2O +eAnodoTensãoReações químicasLocal

1,35 VNiOOH + MH —> Ni(OH)2 + MGLOBAL


Bateria NiMH - NiCd

O electrólico destas baterias étípicamente 6 M KOH~1.2 V/célulaPreço: NiMH vs NiCd, 30% mais capacidade , densidade de potência mais elevada (teoricamente 50% mais, pratica/ 25%).


Ião – Li

Células de ião-LiÁnodo: Composto de carbono, grafiteCátodo: Óxido de lítioElectrólito:Aplicações: Laptops, telemóveis, veículos eléctricos


Bateria de iões de lítioCélulas de lítio que usam metal de litio tem varias desvantagens quando usadas como fontes secundárias (recarregáveis) . Por esta razão várias químicas foram desenvolvidas usando compostos de lítio em vez do metal de lítio. São genericamente designadas por Baterias de iões de lítioCátodo consiste de camadas de grafite (grafite), com lítio intercalado. Recorreu-se também a óxidos de metal com lítio( Ex.: LiCoO2, NiNi0.3Co0.7O2, LiNiO2, LiV2O5, LiV6O13, LiMn4O9, LiMn2O4, LiNiO0.2CoO2.


Baterias : Ião - Li

Electrólito+ membrana

Electrólitos: LiPF6Mais recente: LiBF4.

Membranas necessárias para separar electrões dos iões (polietileno)


BATERIASCurvas características de descarga V (t) de várias baterias.

Li - ião


Bateria da nova geraçãoLítio – Polímero

Ver :http://www.powerstream.com/


Trabalho 1 – Instrumentos de medida IMultímetro -Traçado de curvas características V-I

Guião experimentalInstrumentos reais (Laboratório)

Obtenção de resultados experimentaisAnálise dos resultados

Análise de errosRegisto obrigatório no Caderno (Logbook)


Trabalho 2 – Instrumentos de medida IIOsciloscópio – Hammeg 303-6

Análise de sinais variáveis no tempo

Manual


Gerador de sinais

200 MHz gerador de sinais, por ex.


Trabalho 2 –Instrumentos de medida IIGerador de sinais e osciloscópio

Experiência 1 – Caracterização de sinais variáveis no tempoInterpretação das curvas experimentais

Experiência 2 – Análise de sinais. Circuitos básicos simples.Generalização da lei de Ohm.Impedância complexa

Experiência 3 – Circuito RL.Outros


Bibliografia

1. Electronics, Circuits & Devices, Ralph J. Smith,N.Y. (3th.Ed.),19872. Practical Physics, G.L.Squires, Cambridge University Press (4 th Ed.),Cap.13,20003. Guia de trabalhos experimentais de Física Experimental (2005-06), Coordenação de J.

Maia Alves4. Fundamentos de electromagnetismo, Conceitos fundamentais e Aplicações (2004), V.

Esteves5. The art of electronics, P. Horowitz and Hill, Cambridge University Press, Cap 1 e

Apêndice A (1982)

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