UNIVERSIDADE DO ESTADO DO PARÁCENTRO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E EDUCAÇÃO

CURSO: ENGENHARIA AMBIENTALPROF.: ROBERTO OLIVEIRA DA SILVA

RELATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL III

Experimento 01 – Circuito Elétrico Simples Corrente Continua (cc)

Relatório solicitado pelo Professor Roberto Oliveira da Silva referente à disciplina FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL III como pré-requisito para obtenção de nota parcial do 2º bimestre.

Altamira2013

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO PARÁCENTRO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E EDUCAÇÃO

CURSO: ENGENHARIA AMBIENTALPROF.: ROBERTO OLIVEIRA DA SILVA

Eliézer Cláudio Ribeiro SilvaFiamma Buchinger Alves

Igor Itaci Stelmastchuk da Silva

RELATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL III

Experimento 01 – Circuito Elétrico Simples Corrente Continua (cc)

Relatório solicitado pelo Professor Roberto Oliveira da Silva referente à disciplina FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL I Como pré-requisito para obtenção de nota parcial do 2º bimestre.

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Altamira2013

SUMÁRIO RESUMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 031. INTRODUÇÃO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . 042. OBJETIVOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 053. MATERIAIS

UTILIZADOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 064. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 075. CONCLUSÃO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 09REFERÊNCIAS

BIBLIOGRÁFICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . 10ANEXOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 11CURIOSIDADES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

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RESUMO

Foi desenvolvido dois projetos de circuito elétrico simples, com corrente elétrica contínua. O primeiro envolvia três malhas: duas contendo ligações em série e a terceira de ligações em paralelo. Após a obtenção dos materiais necessários, iniciou-se a montagem do circuito posicionando a fiação de fios de cobre e os leds, logo em seguida veio o posicionamento da Fem, e, posteriormente, o Resistor, necessário para a ligação em paralelo devido à alta voltagem da Fem em relação aos componentes utilizados.

O segundo projeto foi montado utilizando fios de cobre, resistores e pilhas. Foi construído um circuito com uma ligação em paralelo (com três resistores), seguida de uma ligação em série (também com três resistores) e, a partir daí, a corrente se dividia para duas ligações paralelas (com dois resistores cada), que estavam também em paralelo entre si. Após a construção de o circuito ser concluída, foram calculadas as intensidades das correntes, antes de cada malha, calculadas as DDPs entre pontos pré-estabelecidos e estas foram confirmadas com o auxílio de um voltímetro.

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O experimento demonstra o diferente comportamento da energia frente a dois distintos meios de distribuição, modificando as intensidades das correntes (i) em cada etapa do sistema.

1. INTRODUÇÃO

A carga elétrica é uma propriedade intrínseca da matéria que determina também as interações eletromagnéticas entre todos os corpos, esta tem sua existência classificada, convencionalmente, em dois tipos, a carga positiva e a carga negativa. Quando estas cargas estão em equilíbrio quantitativo em um corpo qualquer, dizemos que este se encontra eletricamente neutro, bem como quando ocorre uma perda de carga positiva, este se torna carregado negativamente, e ao perder cargas positivas são carregados positivamente.

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Logo no início dos estudos da eletricidade, definiu-se o sentido da corrente elétrica como sendo o mesmo sentido do fluxo das cargas positivas, ou seja, as cargas movimentam-se de um polo positivo para o negativo, esse movimento de cargas é conhecido como Sentido Convencional. Com o avanço dos estudos, a física subatômica conseguiu estabelecer que o sentido da corrente varia de acordo com o condutor da mesma, por exemplo, em condutores sólidos as cargas positivas estão fortemente ligadas aos núcleos dos átomos e, portanto, não pode haver fluxo macroscópico de cargas positivas em condutores sólidos. Com esta descoberta, foi estabelecido que o sentido da corrente elétrica depende fundamentalmente da natureza do condutor, este é o Sentido Real da corrente elétrica.

Para produzir uma corrente elétrica estável, é necessário de uma fonte que produza força eletromotriz ε, que submete os portadores de cargas a uma diferença de potencial, fazendo com que haja o movimento dessas cargas, formando o circuito elétrico.

2. OBJETIVOS

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O escopo do experimento foi demonstrar de maneira prática os efeitos de uma Força Eletromotriz sobre os componentes de um circuito elétrico, e analisar se os valores das voltagens e resistências obtidos com os cálculos teóricos são os mesmos obtidos na prática, além de proporcionar a visualização dos efeitos da carga elétrica.

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3. MATERIAIS UTILIZADOS

Fio de cobre 0,5mm; Resistores de 1,00 ohm e de 100 ohm; Lâmpadas de LED de 10mm (Azul), 5mm (Alaranjado) e

3mm (Vermelho); Bateria de 9 v; Pilhas de 1,5 v; Folha de isopor; Cartolina; Pincel; Fita adesiva.

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4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS

4.1. Projeto de lâmpadas de led ligadas em série e em paralelo

Esse projeto foi montado em um formato de lâmpada incandescente, sendo que na parte arredondada (corpo) foi feita o ligação de lâmpadas de led em série, totalizando 8 lâmpadas, seguindo a sequência: led 5mm -> 3mm -> 3mm -> 5mm -> 3mm -> 3mm -> 5mm -> 5mm. Na parte de cima (rosca), foi feito a ligação paralela em 4 leds de 10mm. Foi adotado o sentido convencional da corrente, que, ao sair da bateria, divide-se para o sistema de ligação em série e para o paralelo (passando primeiro por um resistor de 100 ohms, para diminuir a intensidade da corrente nessa ligação). Todo o circuito foi ligado em uma bateria (força eletromotriz) de 9,0 v e percebeu-se que apenas as lâmpadas ligadas em paralelo acendiam-se e, as ligadas em série, permaneciam apagadas.

Depois de muitas tentativas, descobriu-se que a bateria só podia acender, no máximo, quatro lâmpadas de led ligadas em série, já que a intensidade da corrente diminui a cada lâmpada por qual ela passa. Uma das soluções possíveis para este problema era o aumento da quantidade de baterias para, deste modo, aumentar a intensidade da corrente que passava pelos sistemas, já que a voltagem é diretamente proporcional à intensidade da corrente elétrica. Mas foi encontrada outra solução: na quarta lâmpada da ligação em série, ligou-se um fio de cobre no polo negativo da bateria para logo se fechar o circuito. Posteriormente, ligou-se outro fio diretamente do polo positivo da bateria na quinta lâmpada, criando uma terceira malha com lâmpadas ligadas em série. Esta nova ligação resolveu o problema inicial e todas as lâmpadas se acenderam.

Da bateria, sai pelo fio de cobre, uma corrente “i” que se divide em “is1”, “is2”, sendo que a corrente “is1” percorre a primeira malha em série. A corrente “is2” se divide em “is3” e “ip1”. A corrente “is3” passa pela segunda malha em série e

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fecha o circuito no pólo negativo da bateria. A corrente “ip1” se divide em “ip2”, que passa na primeira lâmpada de leds que esta ligada em paralelo. A “ip3” segue e se divide em “ip4”, que passa pelo segundo led, e em “ip5”. Esta última se divide em que se divide em “ip6”, que liga o terceiro led, e em “ip7” (que passa pelo quarto led e e faz o retorno em direção ao pólo negativo da Fem. Todas essas correntes que percorrem os leds em paralelo se juntam e formam novamente acorrente “ip1”. As correntes “is1”, “is3” e “ip1” se encontram no final e constituem novamente a corrente “i” que se conecta no pólo negativo da bateria, fechando o circuito elétrico e reiniciando as divisões da corrente (figura 2, em anexo).

4.2. Projeto de resistores de 1 e 100 ohms ligados em série e em paralelo

Montado em forma de uma face plana, esse segundo projeto é constituído de três resistores de um ohm ligados em paralelo, seguido por três resistores de um ohm ligados em série. A partir daí, a corrente se divide em duas outras malhas idênticas ligadas em paralelo com dois resistores de cem ohms em cada malha, consequentemente elas formam outra ligação em paralelo entre si. Cada malha desta está ligada ao polo negativo da pilha (força eletromotriz) de 7,8 v, fechando o circuito elétrico. Os resistores e as correntes foram devidamente identificados na figura 3, para uma melhor visualização.

Foram estabelecidos alguns pontos no sistema para que fosse possível fazer o cálculo das DDPs entre os pontos. O ponto A localiza-se no início da do circuito, antes da primeira malha ligada em paralelo. O ponto B está entra a primeira malha (ligação paralela) e a segunda malha (ligação em série). Já o ponto C encontra-se logo após a malha com ligação em série, onde a corrente se divide para as duas malhas ligadas em paralelo. O ponto D fica após a quarta malha e o E, após a quinta.

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O resultado das DDPs foi obtido com a ajuda do Voltímetro e confirmado por cálculos à mão:

VB-VA= 0,02 v VC-VB= 6,25 v VD-VC= 1,53 v VE-VC= 1,53 v

5. CONCLUSÃO

Durante o desenvolvimento dos projetos, o grupo deparou-se com diversas situações não previstas, o que por um lado foi de bom proveito, visto que um dos objetivos da aula prática era provar os cálculos teóricos. As situações não previstas foram solucionadas com sucesso, após varias análises do circuito montado, teste em um programa de circuitos e outros métodos.

Foi necessário criar uma terceira malha no projeto das lâmpadas de led para que todo o circuito se acende. Essa falha inicial abriu nos incentivou a buscar soluções e fazer uma revisão de literatura para tentarmos entender profundamente quais processos estavam envolvidos quando uma lâmpada era acesa.

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Os desenvolvimentos dos experimentos propostos pelo professor foram de fundamental importância para entendermos um lado da física que nos cerca cotidianamente: a energia e suas peculiaridades - o que será útil em diversas aplicações pessoais e profissionais, bem como em outras disciplinas ao longo do curso e da vida, se necessário.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

HALLIDAY, David, RESNIK Robert, KRANE, Denneth S. Física 3, volume 3, 5ª Ed.

http://motoreseletricos3m4.blogspot.com.br/2010/12/6-efeito-corona.html. Acesso em 20 de maio de 2013.

http://motoreseletricos3m4.blogspot.com.br/2010/12/6-efeito-corona.html. Acesso em 20 de maio de 2013.

http://paginas.fe.up.pt/~cjr/Mestrado/Cap_4%20%20Conversao%20de%20corrente%20continua%20em%20alternada%20.pdf. Acesso em 20 de maio de 2013.

http://blog.educacaoadventista.org.br/professorgenivaldo/index.php?op=post&idpost=1484&titulo=Por+que+em+algumas+cidades+a+tensao+e+110V+e+em+outras,+220V. Acesso em 20 de maio de 2013.

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ANEXOS

Figura 1 – Primeiro (final) e segundo circuito montados. Fonte: Alves, F. B.

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Figura 2 – Esquema de correntes elétricas do primeiro circuito. Fonte: Silva, E.C.R.

Figura 3 – Simulação de esquema digital do segundo circuito. Fonte: Silva, E.C.R.

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CURIOSIDADES

Efeito Corona

O efeito corona é um fenômeno relativamente comum em linhas de transmissão com sobrecarga. Devido ao campo elétrico muito intenso nas vizinhanças dos condutores, as partículas de ar que os envolvem tornam-se ionizadas e, como consequência, emitem luz quando da recombinação dos íons e dos elétrons.

Descargas elétricas em gases são geralmente iniciadas por um campo elétrico que acelera elétrons livres aí existentes. Quando esses elétrons adquirem energia suficiente do campo elétrico, podem produzir novos elétrons por choque com outros átomos. É o processo de ionização por impacto. Durante a sua aceleração no campo elétrico, cada elétron livre colide com átomos de oxigênio, nitrogênio e outros gases presentes, perdendo, nessa colisão, parte de sua energia cinética. Ocasionalmente um elétron pode atingir um átomo com força suficiente, de forma a excita-lo. Nessas condições, o átomo atingido passa a um estado de energia mais elevado. O estado orbital de um ou mais elétrons muda e o elétron que colidiu com o átomo perde parte de sua energia, para criar esse estado. Posteriormente, o átomo atingido pode reverter ao seu estado inicial, liberando o excesso de energia em forma de calor, luz, energia acústica e radiações eletromagnéticas. Um elétron pode igualmente colidir com um íon positivo, convertendo-o em átomo neutro.

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Esse processo, denominado recombinação, também libera excesso de energia.

Toda a energia liberada ou irradiada deve provir do campo elétrico da linha, portanto, do sistema alimentador, para o qual representa perda de energia, por conseguinte, prejuízo. Essas perdas e suas conseqüências econômicas tem sido objeto de pesquisas e estudos há mais de meio século, não obstante, só recentemente se alcançaram meios que permitem determinar, com razoável segurança, qual o desempenho que se poderá esperar para as diversas soluções possíveis para uma linha de transmissão, no que diz respeito a essas perdas. De um modo geral, elas se relacionam com a geometria dos condutores, tensões de operação, gradientes de potencial nas superfícies dos condutores e, principalmente, com as condições meteorológicas locais. Constatou-se, por exemplo, que as perdas por corona em linhas em tensões extra-elevadas podem variar de alguns quilowatts por quilômetro até algumas centenas de quilowatts por quilometro, sob condições adversas de chuva ou garoa. As perdas médias podem constituir apenas pequenas partes das perdas por efeito joule, porém as perdas máximas podem ter influencia significante nas demandas dos sistemas, pois a capacidade geradora para atender a essa demanda adicional deverá ser prevista ou a diferença de energia importada.

Efeito Capacitivo

Em termos de sistemas de potencia é a energia em avanço, que circula em um sistema, em relação à energia ativa. Este avanço é provocado pela preponderância nos circuitos de elementos capacitivos, em relação aos elementos indutivos.

Esta energia de um modo geral provoca uma elevação da tensão nos sistemas de potencia. Linhas de transmissão, por exemplo, são altamente capacitivas. Quando existe uma redução da carga ativa nos sistemas (à noite, por exemplo) a tensão tende a se elevar, o que deve ser compensado de alguma forma.

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Como é feita a transformação de corrente contínua para corrente alternada?

Dispositivos denominados "inversores" tem o papel de transformar corrente contínua em corrente alternada. A corrente contínua passa por esse inversor que a torna alternada e por um filtro que lhe baixa o conteúdo harmónico de alta frequência.

A entrada em corrente do conversor DC/AC obriga ao uso de um inversor de corrente que tem características e funcionalidades diferentes do convencional inversor de tensão.

Para minimizar o conteúdo harmónico o inversor de corrente é comandado através da técnica de modulação de largura de impulsos (PWM). Esta técnica permite mudar os harmónicos gerados pela comutação dos interruptores para frequências elevadas, simplificando assim a sua filtragem. Simultaneamente o PWM permite regular a amplitude da componente fundamental, evitando que a fonte de corrente contínua que alimenta o inversor tenha necessidade de ser controlada.

Um dispositivo muito comum que faz isto é o nobreak. Ele possui um inversor em seu interior que transforma a corrente contínua de entrada (oriunda da bateria) em corrente alternada.

Por que em algumas regiões do país a distribuição de energia é feita para 220v e outras 110v ?

Porque não há um padrão nacional para a tensão (ou voltagem) que chega às tomadas das nossas casas. Quando o Brasil começou a montar sua rede elétrica, no início do século 20, diferentes companhias se estabeleceram em cada região do país. "A escolha do sistema de 110 volts ou de 220 volts dependeu do país de origem das primeiras empresas e de uma análise de custos: a quantidade de consumidores por metro quadrado, o dinheiro para a instalação e para os

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materiais necessários, como transformadores e cabos", afirma Ronaldo Roncolatto, gerente de engenharia da empresa CPFL.

Nesses primórdios da eletrificação, as canadenses Rio de Janeiro Tramway, Light & Power e São Paulo Light & Power instalaram redes de 110 volts para consumo residencial nas duas principais cidades da Região Sudeste. Já as primeiras concessionárias que distribuíram energia na Região Nordeste optaram pelo 220. Nos dois casos, os sistemas continuam os mesmos até hoje porque, depois de instalada, é inviável reformar toda a rede de distribuição - custaria uma nota preta. E não há nenhuma razão forte para justificar esse gasto.

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