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UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores– 2024 /2 2 Diretoria de Ciências Exatas Laboratório de Física Roteiro Sistemas Elétricos (2024/02) UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores– 2024 /2 3 1. Objetivo Fazer com que o aluno conheça e manuseie devidamente o multímetro. Estudar um resistor ôhmico; Determinar sua resistência por intermédio de sua curva característica. Estudar, por intermédio da Lei de Ohm, o comportamento de resistores ôhmicos quando associados em série ou em paralelo em circuitos elétricos. 2. Material Necessário • Multímetro digital • Uma fonte de tensão contínua ajustável (de 0V a 5,0V) • Um resistor (na faixa entre 1kΩ e 2kΩ) • Protoboard • Fios de ligação. • Papel milimetrado • 3. Multímetro O multímetro (figura 1) é um instrumento de medição versátil, pois permite medir corrente, tensão e resistência elétricas. Alguns modelos também são capazes de medir capacitância e temperatura, mas essas características não serão exploradas nesse experimento. 3.1. Utilização do multímetro como Ohmímetro Nessa função, o multímetro mede a resistência elétrica, cuja unidade no S.I. é o ohm (Ω). Para tanto, deve ser inserido em paralelo nos resistores. Caso a resistência a ser medida não seja conhecida, deve-se iniciar a medição com uma escala maior e diminuí-la, caso necessário. Obs.: Nesse semestre, utilizar uma incerteza de 5% da leitura, com 3 algarismos significativos para as medições de resistências elétricas. UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 3.2. Utilização do multímetro como Voltímetro Nessa função, o multímetro (figura 1) mede a tensão elétrica, também conhecida como diferença de potencial (d.d.p.), cuja unidade no S.I. é o volt (V). Para tanto, deve ser inserido em paralelo no circuito. Caso a tensão a ser medida não seja conhecida, deve- se proceder como no caso anterior, ou seja, iniciando a medição com uma escala maior. Se a tensão a ser medida for contínua, deve-se prestar atenção na polaridade da ligação. Obs.: Nesse semestre, utilizar uma incerteza de 0,5% da leitura, com 3 algarismos significativos para as medições de tensões (ddp). 3.3. Utilização do multímetro como Amperímetro Nessa função, o multímetro mede a corrente elétrica de um circuito elétrico, cuja unidade no S.I. é o ampère (A). Para tanto, deve ser inserido em série no circuito. É preciso atenção para escolha da escala adequada, tanto para o sucesso da medição, quanto para não danificar o instrumento. Em caso de dúvida, deve-se iniciar a medição utilizando a escala maior, se esta for muito alta, diminuindo gradativamente a escala. Obs.: Nesse semestre, utilizar uma incerteza de 1,5% da leitura, com 3 algarismos significativos para as medições de correntes elétricas. 3.4 Protoboard ou matriz de contato Uma maneira prática de trabalhar com os componentes eletrônicos de um circuito é utilizar uma matriz de contato (protoboard). Essa placa para protótipos é usada para montagens de circuitos temporários, sem o uso de soldas. Os terminais dos componentes são introduzidos em orifícios da placa dispostos de forma ordenada, que se incumbe das conexões básicas. É, na prática, um circuito impresso provisório. Não só os terminais dos componentes, como também, as interligações, mediante fios (jumpers) podem ser fixados nos orifícios dessa placa. A Figura 2 mostra um protoboard típico, onde estão dispostos os pontos impressos para as conexões. UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 Colunas 2-5-6-9 → São contatos verticais independentes, ou seja, cada coluna é composta 25 orifícios ligados em série entre si. Linhas 3-4-7-8 → São contatos horizontais independentes, ou seja, cada coluna apresenta um canal com 5 orifícios ligados em série entre si. Contatos 1 → São bornes para ligação da fonte de tensão. São necessários fios (jumpers) para interligá- los aos contatos do protoboard. Em geral o vermelho corresponde à fase e o preto ao neutro (terra). Figura 2: Esquema de um protoboard típico 3.5 Resistores Um resistor é considerado ôhmico quando obedece à Lei de Ohm, que diz que a resistência elétrica de um resistor se mantém constante se a temperatura for mantida constante. Os resistores ôhmicos têm as seguintes características: - A resistência elétrica é constante, independentemente do valor da tensão aplicada nos terminais do resistor. - A razão entre o potencial elétrico e a corrente elétrica é sempre constante. - Convertem energia elétrica em energia térmica, através do efeito Joule. Um resistor que não obedece à Lei de Ohm é chamado de resistor não ôhmico. A Figura 3 representa uma resistência elétrica (ou um resistor ôhmico) encontrada comercialmente. Figura 3 – Três típicos resistores ôhmicos encontrados comercialmente. Um típico resistor ôhmico tem forma cilíndrica e possui 4 ou 5 faixas ou anéis coloridos UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 ao em sua lateral. Uma das formas de se conhecer o valor de sua resistência é utilizando um código de cores, como o da Tabela 1, a partir da qual cada faixa representa uma informação. Por exemplo, nos dois primeiros resistores à esquerda da figura 3, são caracterizados quatro anéis coloridos. Os dois primeiros anéis representam os algarismos significativos do valor da medida; o terceiro anel indica a potência de dez que deve ser multiplicada ao valor da medida; e o quarto anel representa a da resistência (em percentagem). A medida do primeiro resistor da figura 3 será: preto (1), vermelho (2), amarelo (4) e prata (10%). Então, o valor do resistor é 𝑅1 = (12 × 104 ± 10%)Ω [𝑅1 = (120 ± 10%) kΩ]. A medida do segundo resistor da figura 1 será: amarelo (4), violeta (7), preto (1) e ouro (5%). Então, o valor do resistor é 𝑅2 = (47 × 101 ± 5%)Ω [𝑅2 = (470 ± 5%)Ω]. Observe que o terceiro resistor só possui três anéis, então, a medida do terceiro resistor da figura 1 será: vermelho (2), vermelho (2) e vermelho (2). Então, o valor do resistor é 𝑅3 = (22 × 102 ± 20%)Ω [𝑅3 = (2,2 ± 20%)kΩ]. Um resistor ôhmico pode ser estudado a partir da primeira Lei de Ohm, no qual um Tabela 1-Código de Cores para a leitura de resistores ohmicos UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 circuito, como o da figura 4, a intensidade da corrente elétrica (i), em ampère (A), que atravessa um resistor ôhmico, mantido a uma temperatura constante, é diretamente proporcional à diferença de potencial (U), em volt (V), aplicada entre seus terminais, onde a constante de proporcionalidade é igual à resistência (R), em ohm (Ω), do resistor. 𝑈 = 𝑅 × 𝑖 Figura 4 – Circuito básico formado por uma fonte contínua de ddp U, em volts, e um resistor ôhmico, R, em ohms, que é atravessado por uma corrente, i, em ampères. 3.6. Lei de Ohm 𝑉 = 𝑅 ∙ 𝑖 Quando um resistor estiver sujeito a uma diferença de potencial (tensão elétrica), a corrente elétrica gerada aumenta linearmente com o aumento da tensão aplicada, onde a constante de proporcionalidade é a resistência elétrica. Esta relação é conhecida como a Lei de Ohm e resistores que obedecem a esta relação são ditos resistores ôhmicos. 3.7 Associação de Resistores 3.7.1 Associação em Série Em uma associação de n resistores, quando estes estão dispostos em uma série, a resistência equivalente ao circuito deve ser calculada somando-se as resistências. UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 Exemplo figura 5. Figura 5 – Circuito Série𝐑𝐞𝐪 = 𝐑𝟏 + 𝐑𝟐 + 𝐑𝟑 3.7.2 Associção Paralela Em uma associação de n resistores, quando estes estão dispostos em paralelo, a resistência equivalente no circuito deve ser calculada somando-se os inversos das resistências. Exemplo. Figura 6 – Circuito Paralelo 𝑅𝑒𝑞 = 1 ( 1 𝑅1 + 1 𝑅2 + 1 𝑅3 ) UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 5. Procedimento Experimental 5.1. Utilizar uma tabela com código de cores para determinar a resistência elétrica dos resistores; Tabela 2 - Tabela de Resistores Resistores Valor ( R± tolerância) R1 R2 R3 R4 R5 5.2. Calcular a faixa de tolerância para os resistores Tabela 3 - Tabela de tolerâncias de resistores Resistores Faixa de tolerância R1 R2 R3 R4 R5 5.3. Medir o valor da resistência fornecida com o multímetro ajustado na função ohmímetro, associados em paralelo (figura 7) ao componente. resistor ohmimetro Figura 7 – Esquema de ligação para a medição de resistência elétrica pontas de prova UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 Observações: Meça a resistência quando os componentes não estiverem conectados em um circuito: É sempre aconselhável não medir a resistência de um item que esteja em um circuito. É sempre melhor fazer a medição do componente por conta própria fora do circuito. Se uma medição for feita no circuito, todos os outros componentes ao redor terão efeito. Quando medir a resistência no circuito verifique que o mesmo esteja desligado. 5.31- Insira as pontas de prova nos soquetes necessários ( Figura 8) Figura 8– Esquema de ligação das pontas de prova 5.31- Ajustar a escala: Posicione a chave rotativa em umas faixas Ω (200Ω, 2kΩ, 20kΩ, 200kΩ, 2MΩ ou 200MΩ). ( Figura 9) Figura 9 – Escala de resistência 5.32- Fazer a medida conforme a figura 10 e completar a tabela Figura 10– Medição dos resistores Vermelho no Ω Preto no COM (comum) UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 Tabela 4 Tabela de medidas de resistores Resistores Resistores Medidos R1 R2 R3 R4 R5 5.4. Comparar os valores por intermédio do erro relativo percentual; 5.5. Medição da tensão 5.5.1 : Ajustar a fonte de tensão em 2V. 5.5.2: Escolher um resistor 𝑅 = ( ± )Ω 5.5.3 Montar o circuito abaixo no Protoboard. (Figura 11) Figura 11: Esquema de ligação para a medição da ddp a que está sujeito um resistor. 5.5.4 Colocar o multímetro em tensão contínua : Posicione a chave rotativa em uma das faixas V= 200mV, 2V, 20V, 200V ou 1000V . (Figura 12) UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 Figura 12– Escala de Tencão Contínua Valor de ddp medida: 𝑑𝑑𝑝 = ( ± ) V; 5.6. Medição da corrente: 5.6.1 Mantendo a fonte em 2 V, ajustar o amperímetro para escala de DCA (Figura 13) Figura 13 – Escala de Corrente Contínua 5.6.2 Montar o circuito abaixo utilizando a resistência do item 5.52 ( Figura 14) Figura 14– Circuito para medir Corrente UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 5.6.3 Medir a corrente: 𝑖=( ± ) A; 5.7 Escolha outro resistor, monte o circuito da Figura 15 ajustando a fonte de tensão para valores de 1,0 V, 2,0 V e 3,0 V. Medir os valores das tensões e das respectivas correntes e anotar na Tabela 5. 𝑅 = ( ± )Ω. Figura 15– Circuito para montar Tabela 5 - Tabela de tensões e corrente 5.7 5.8 Escolha outro resistor, ajustar a fonte de tensão para valores de 0,5V, 1,0V, 1,5V, 2,0V, 2,5V e 3,0V. Montar o circuito da Figura 16 Medir os valores das tensões e das respectivas correntes e anotar na tabela 6 . Figura 16– Circuito 5.8 V A V A UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 Tabela 6 - Tabela de tensões e corrente 5.8 5.8.1 Traçar, em papel milimetrado, um gráfico de ddp em função da corrente elétrica e determinar, por intermédio do processo de regressão linear, o coeficiente angular da reta média. (O coeficiente angular será a resistência do circuito) Figura 17– Coeficiente angular 𝑐𝑜𝑒𝑓. 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 = Ω 5.8.2 Comparar, utilizando o erro percentual relativo, entre o valor do coeficiente angular e da resistência elétrica determinada por intermédio do código de cores. 𝐸%= % 5.9 Escolha 2 resistores (R1, R2) Montar um circuito elétrico associando os resistores R1 e R2 conforme a Figura 18. Conectar uma fonte de 5,0 V. UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 Figura 18 – Circuito 5.9 𝑅1 = ( ± )Ω 𝑅2 = ( ± )Ω 5.9.1 Medir as tensões e as correntes em R1 e em R2 com o voltímetro e com o amperímetro, respectivamente. E completar as tabelas Anotar os valores medidos nas tabelas 7 e 8. Analisando as duas tabelas, o que se pode afirmar? Tabela 7- Tabela das tensões Tabela 1: Medidas de tensões elétricas U V1 V2 Tabela 8 - Tabela das correntes Tabela 2: Medidas de correntes elétricas i i1 i2 5.10 Escolha 2 resistores (R1, R2) Montar um circuito elétrico associando os resistores R1 e R2 conforme a Figura 19. Conectar uma fonte de 5,0 V. UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 Figura 19 – Esquema de um circuito com uma fonte de tensão contínua associada a dois resistores associados em paralelo. 5.9.2 Medir as tensões e as correntes em R1 e em R2 com o voltímetro e com o amperímetro, respectivamente. E completar as tabelas Anotar os valores medidos nas tabelas 9 e 10. Analisando as duas tabelas, o que se pode afirmar? Tabela 9- Tabela das tensões Tabela 1: Medidas de tensões elétricas U V1 V2 Tabela 10 - Tabela das correntes Tabela 2: Medidas de correntes elétricas i i1 i2 5.10 Exercícios Teóricos. 5.10.1 Quatro resistores idênticos de R = 10kΩ estão ligados em paralelo com uma bateria de 120 V. Qual o valor da resistência equivalente do circuito ? 5.10.2 Considere que 4 resistores estão ligados em paralelo as resistências são respectivamente 20Ω, 20Ω, 10Ω e 5Ω : Determine: a) A resistência equivalente no circuito; b) A ddp em cada resistor; c) A corrente elétrica em cada resistor; d) A corrente elétrica total. 5.10.3 Considerando os mesmos resistores do exercício anterior mas agora ligado em série calcule : a) A resistência equivalente no circuito; b) A UNINOVE – Sistemas Elétricos – Roteiro – Multímetro e Resistores - 2024/2 ddp em cada resistor; c) A corrente elétrica em cada resistor; d) A corrente elétrica total. 5.10.4 Para o gráfico da figura 20 calcular a resistência elétrica. Figura 20 – Gráfico para a questão 5.10.4 Conclusão: (comentários e avaliação dos resultados obtidos)