Prática Laboratório - Lei De Ohm

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Universidade Federal de Uberlândia INFIS – Instituto de Física Relatório 05 Lei de Ohm Arthur Alves Mascarenhas Uberlândia, 26 de outubro de 2008 1 1 Objetivo Estudar o código de cores dos resistores, realizar medidas de resistência utilizando um multímetro na posição de ohmímetro. Também será abordado a teoria de resistores Ôhmicos e não- Ôhmicos e verificar a lei de Ohm através de medidas tensão x corrente. 2 2 Material Utilizado Fonte regulável de tensão continua de 12V Multímetro digital Resistores Reostato Fios para ligação do circuito Nitrogênio Líquido 3 3 Fundamentos Teóricos 3.1 Código Internacional Para Resistores Há duas formas de conhecer o valor de um resistor, uma delas é utilizando o ohmímetro que deve ser ligado em paralelo ao resistor para que se obtenha a medida, a outra forma de conhecer o valor de um resistor é através do código de cores o que é mais eficaz, pois às vezes o componente esta soldado no circuito impossibilitando assim que se utilize o ohmímetro. O código de cores é a convenção utilizada para identificação de resistores de uso geral. Compreendem as séries E6, E12 e E24 da norma internacional IEC. Para determinar o valor de um resistor devemos: Identificar a cor do primeiro anel, e verificar através da tabela de cores o algarismo correspondente à cor. Este algarismo será o primeiro dígito do valor do resistor. Identificar a cor do segundo anel. Determinar o algarismo correspondente ao segundo dígito do valor da resistência. Identificar a cor do terceiro anel. Determinar o valor para multiplicar o número formado pelos itens anteriores. Efetuar a operação e obter o valor da resistência. Identificar a cor do quarto anel e verificar a porcentagem de tolerância do valor nominal da resistência do resistor. 4 Segue abaixo a tabela de cores Cor 1ª faixa 2ª faixa 3ª faixa 4ª faixa Preto 0 0 --- --- Marrom 1 1 0 1% Vermelho 2 2 00 2% Laranja 3 3 000 --- Amarelo 4 4 0000 --- Verde 5 5 00000 --- Azul 6 6 000000 --- Violeta 7 7 --- --- Cinza 8 8 --- --- Branco 9 9 --- --- Prata --- --- 0,01 10% Ouro --- --- 0,1 5% Tabela 1 - Código de cores para resistores 5 3.2 Resistores Ôhmicos e não-Ôhmicos O físico alemão Ohm, após muitas experiências, verificou que, em certos condutores, é uma constante a razão entre a d.d.p. nos seus terminais e a intensidade da corrente que o percorre, a cada temperatura; conclui-se então que aquelas duas grandezas são directamente proporcionais. Os condutores em que isto se verifica são chamados condutores óhmicos. Lei de Ohm - Num condutor óhmico, a intensidade da corrente que o percorre e a d.d.p. nos seus terminais são directamente proporcionais. V : I = constante (a cada temperatura) Para cada condutor, o gráfico I = f(V) é chamado função característica do condutor. Como, nos condutores óhmicos, I e V são directamente proporcionais, a linha do gráfico (V, I) é recta; pelo contrário, nos restantes condutores, é uma linha curva. Condutor óhmico: Condutor não-óhmico: (verifica-se a lei de Ohm) (não se verifica a lei de Ohm) Ainda sobre os condutores óhmicos: a cada temperatura, V : I = constante; como R = V : I , conclui-se que, nestes condutores, a sua resistência eléctrica é uma constante (a cada temperatura). 6 3.3 Lei de Ohm A Primeira Lei de Ohm, assim designada em homenagem ao seu formulador Georg Simon Ohm, indica que a diferença de potencial (V) entre dois pontos de um condutor é proporcional à corrente eléctrica (I) que o percorre: onde: V é a diferença de potencial elétrico (ou tensão, ou ddp) medida em Volts R é a resistência elétrica do circuito medida em Ohms I é a intensidade da corrente elétrica medida em Ampères Porém, nem sempre essa lei é válida, dependendo do material usado para fazer o resistor (ou 'resistência'). Quando essa lei é verdadeira num determinado material, o resistor em questão denomina-se resistor ôhmico ou linear. Na prática não existe um resistor ôhmico ou linear 'exacto', mas muitos materiais (como a pasta de carbono) permitem fabricar dispositivos aproximadamente lineares. Um exemplo de resistor (ou resistência) não linear, que não obedece à Lei de Ohm é o díodo. Conhecendo-se duas das grandezas envolvidas na Lei de Ohm, é fácil calcular a terceira: A potência P, em Watts, dissipada num resistor, na presunção de que os sentidos da corrente e da tensão são aqueles assinalados na figura, é dada por: 7 Logo, a tensão ou a corrente podem ser calculadas a partir de uma potência conhecida: Outras relações, envolvendo resistência e potência, são obtidas por substituição algébrica: 8 4 Procedimentos Monte o circuito em série como o esquematizado na figura abaixo e ligue o voltímetro e amperímetro digitais. Antes de ligar a fonte à rede elétrica deve-se ligar os multímetros nas escalas máximas de corrente e tensão. Figura 1 - Esquema do circuito Depois de montado e ligado o circuito, em temperatura ambiente, varie a tensão da fonte dez vezes de forma que possa tomar nota de valores diferentes de tensão e corrente. Após coletado os valores faça o gráfico V x I para a temperatura ambiente. Agora coloque o resistor em nitrogênio líquido espere algum tempo para estabilizar o sistema e em temperatura de 77K, varie a tensão da fonte dez vezes de forma que possa tomar nota de valores diferentes de tensão e corrente. Após coletado os valores faça o gráfico V x I para a temperatura de 77K. 9 5 Resultados e Discussões Resistor é um componente eletrônico que tem como finalidade fazer oposição à passagem de corrente elétrica por um determinado material. Sua resistência pode variar de acordo com a temperatura, para explicar esta variação é necessário observar o comportamento dos átomos do material. Quando se diz “passagem de corrente elétrica por um determinado material”, quer dizer variação da posição do elétron no material, ou seja, movimentação do elétron pelo material. Sabe-se que as moléculas possuem certa vibração, o que causa dificuldade da passagem dos elétrons pelo material, também se sabe que quanto maior a temperatura, maior o estado de agitação das moléculas do material, desta maneira dificultando ainda mais a passagem do elétron, aumentando a resistência do material. Quando a resistência aumenta, a corrente diminui, o que é provado pela de Ohm (I = V/R). Por este motivo que novos modelos para transporte de energia são na maioria das vezes testados em regiões bastante frias, pois se aproxima mais da condição ideal de resistência. 10 5.1 Gráfico para temperatura ambiente Para valor de cálculo será utilizado 300K como valor de temperatura ambiente. Com temperatura ambiente foi observado os seguintes valores de tensão e corrente para o 10 (dez) valores variados da fonte. VR (V) 0,45 1,45 2,05 2,35 2,62 2,99 3,45 4,16 4,48 4,50 I (mA) 13,6 43,3 62,0 71,0 79,5 90,5 104,3 125,8 136,0 136,2 R (Ω) (VR x I) 33,09 33,49 33,06 33,10 32,96 33,04 33,08 33,07 32,94 33,04 Tabela 2 - Valores de tensão e corrente em temperatura ambiente Rmédio = 33,09 Ω 160,00 140,00 4,5; 136,2 4,48; 136 4,16; 125,8 120,00 3,45; 104,3 100,00 2,99; 90,5 80,00 2,62; 79,5 2,35; 71 2,05; 62 60,00 1,45; 43,3 40,00 20,00 0,45; 13,6 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Figura 2 - Gráfico I x V para temperatura ambiente 11 5.2 Gráfico para temperatura de 77K Com temperatura de 77K foi observado os seguintes valores de tensão e corrente para o 10 (dez) valores variados da fonte. VR (V) 0,47 0,95 1,28 1,83 2,08 2,55 2,89 3,27 3,69 4,81 I (mA) 13,4 27,0 35,7 51,0 57,1 71,0 80,7 91,4 103,0 134,7 R (Ω) (VR x I) 35,07 35,19 35,85 35,88 36,43 35,92 35,81 35,78 35,83 35,71 Tabela 3 - Valores de tensão e corrente para temperatura de 77K Rmédio = 35,75Ω 160,00 140,00 4,48; 136 4,16; 125,8 4,5; 136,2 120,00 3,45; 104,3 100,00 2,99; 90,5 2,62; 79,5 2,35; 71 2,05; 62 80,00 60,00 1,45; 43,3 40,00 20,00 0,45; 13,6 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Figura 3 - Gráfico I x V para temperatura de 77K 12 5.3 Código de cores do resistor O resistor utilizado possuía as seguintes cores, laranja na 1ª e na 2ª faixa, preta na 3ª faixa e dourado na 4ª faixa, isto quer dizer que o valor do é 33x1=30 Ω ±5%. 5.4 Calculo da Constante α Para o calculo da constante α será usada a equação onde: , T  Temperatura ambiente (300K) T0 Temperatura do nitrogênio líquido (77K) ρ é dado por considerando constante, temos, . Então: ρ=R  Resistor na temperatura ambiente ρ0=R0  Resistor na temperatura do nitrogênio líquido Modelando a equação, temos: Dando valores obtemos: 13 6 Conclusão O experimento trouxe conhecimentos importantes quanto ao comportamento da resistência devido à alteração de temperatura, e seu comportamento perante a Lei de ohm. Foi mostrado também como determinar o valor da resistência de resistor utilizando o código internacional de cores. Este experimento trouxe grande valia no quesito experimental aos físicos em formação participantes do experimento, uma vez que foi manipulado nitrogênio líquido, material que não é de comum utilização, possibilitando assim enriquecimento do conhecimento sobre materiais. 14 7 Bibliografia [1] H. M. Nussenzveig, Curso de Física Básica, Eletromagnetismo, Vol. 3, Editora Edgard Blucher, 2003. [2] Chaves, Alaor. Física Básica: Eletromagnetismo / Alaor Chaves. – Rio de Janeiro: LTC, 2007. Il. [3] Halliday, David, 1916 – Fundamentos de Física, v.3: eletromagnetismo, 7ºed. / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, tradução Ronaldo Sérgio de Biasi. – Rio de Janeiro: LTC, 2007 4 v.: il. [4] http://www.unb.br/iq/kleber/EaD/Eletromagnetismo/Resistores/Resistores.html 15