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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia daBahia
Departamento de Eletro-Eletrônica
Coordenação de Eletrotécnica
Disciplina: Eletrotécnica I
Aluno: Victor Said dos Santos SousaNúmero: 23 Turma: 5822 Curso: Automação Industrial
Prof.: Eng. Davi Franco Rêgo Data: 17 de Jul de 2013
Atividade de Laboratório (3 pontos)
1 –Elabore uma pesquisa (15-20 linhas) a respeito das lâmpadas incandescentes. Faça um texto dissertativo que contenha as respostas para as seguintes perguntas:
O efeito Joule consiste em um fenômeno elétrico caracterizado pelo aumento da temperatura em corpos submetidos a correntes elétricas. Existem alguns elementos, como o Tungstênio, que quando aquecidos convertem energia térmica em luminosa, emitindo assim luz. Esta propriedade singular faz com que estes possam ser utilizados como fontes luminosas nas denominadas lâmpadas incandescentes.
Tais lâmpadas possuem um filamento de Tungstênio, utilizado devido a seu alto ponto de fusão, 3.683,15 K, e alto coeficiente de luminosidade, que alcançam entre 2.300 e 2.800 K de temperatura, dispostos com um comprimento de 1a 2 metros em duplo filamento, de modo helicoidal e cilíndrico. A área de seção transversal é variável em cada lâmpada, sendo expresso pela equação 1, contudo é comum a utilização do valor nominal desta área entre 0,01 ou 0,02 mm. Onde: A = área; ρ = resistividade; L = comprimento; Pot = Potência; e U = Tensão.
A= ρ L PotU2 (1)
O processo de fabricação destas lâmpadas inicia-se com o bulbo, o qual após haver a mistura dos "ingredientes" é posto em uma fornalha à cerca de 1.873 K para aquecimento e homogeneização, formando assim o vidro, que será moldado formando o bulbo. Seguindo para o processo de aquecimento e resfriamento da haste de condução e sustentação do filamento de Tungstênio, e a anexação desta na haste. Por fim, efetuando a inserção do gás inerte e retirada do Oxigênio no bulbo, selando as lâmpadas com a inserção da base e da área de contato.
Para aumentar o tempo de vida útil de uma lâmpada, deve-se tomar algumas medidas preventivas em sua construção. Para evitar combustão ou oxidação do filamento devido às altas temperaturas, o mesmo é isolado em um bulbo de vidro sem formato definido, o qual contém em seu interior, em quantidade rarefeita, um gás inerte, como o gás nitrogênio. Havendo alguns casos, em que visando o aumento do consumo do produto, efetua-se a diminuição de sua vida útil, através da redução ou aumentoda concentração deste gás.
Outra forma de aumentar a vida útil das lâmpadas é aumentando a área do filamento de Tungstênio, mas que em casos como o anterior, que levam a diminuição do período funcional propositalmente em virtude do aumento do consumo, pode reduzir área de seção transversal, a fim de aumentar a resistência, a fragilidade e os desgastes do filamento. Uma curiosidade sobre lâmpadas incandescentes é que, no estado da Califórnia nos Estados Unidos da América, continua em funcionamento a lâmpada mais antiga do mundo, há mais de 110 anos.
Figura 01 – Construção (à esquerda) e duplo filamento helicoidal (à direita) (INCB, 2013)
2 – Escreva a tabela dos dados obtidos em sala com o seguinte formato. Explique como foram obtidos os dados e o procedimento do experimento. Calcule as duas últimas colunas com base nos conhecimentos adquiridos em sala, explicando e deixando explícitos os cálculos.
Considere o coeficiente de temperatura do tungstênio = 0,0045.
O experimento consistiu em um procedimento de variação de tensão elétrica de uma lâmpada incandescente, com o objetivo de analisar o comportamento desta, no que se refere à reação e comportamento da resistência elétrica mediante a variação da temperatura, em consequência do aumento da passagem de corrente e, portanto, do efeito Joule. A fim de analisar o comportamento desta grandeza utilizou-se a equação 2, que relaciona o comportamento da resistência em funçãodo coeficiente de temperatura do próprio material e da variação da temperatura.
RF =Ri(1+α θ) (2)
A medição das variáveis Tensão e Corrente foi realizada através da medição com voltímetro eamperímetro, respectivamente, ambos com indicação analógica. Sendo que o cálculo da resistência foi realizado através da aplicação da Primeira Lei de Ohm, exposta na equação 3.
R=UI (3)
Portanto,
U = 25 V
I = 0,1 A
U = 125 V
I = 0,32 A
R=UI R=250,1 R=250
R=UI R=1250,32 R=390,6
U = 50 V
I = 0,2 A
U = 150 V
I = 0,35 A
R=UI R=500,2 R=250
R=UI R=1500,35 R=428,6
U = 75 V
I = 0,25 A
U = 175 V
I = 0,39 A
R=UI R=750,25 R=300
R=UI R=1750,39 R=448,7
U = 100 V
I = 0,28 A
U = 200 V
I = 0,41 A
R=UI R=1000,28 R=357,1
R=UI R=2000,41 R=487,8
De modo que,
Rf = 250 V
Ri = S/ referencial
α = 0,0045 °C-1
Rf = 390,6 V
Ri = 357,1 V
α = 0,0045 °C-1
RF =Ri1+α θ 390,6=357,11+0,0045 θ θ=20,93°C
Rf = 250 V
Ri = 250 V
α = 0,0045 °C-1
Rf = 428,6 V
Ri =390,6 V
α = 0,0045 °C-1
Sem variação do Ri, portanto θ = 0°C
RF=Ri1+α θ 428,6=390,6 1+0,0045 θ θ=21,59°C
Rf = 300 V
Ri = 250 V
α = 0,0045 °C-1
Rf = 448,7 V
Ri = 428,6 V
α = 0,0045 °C-1
RF =Ri1+α θ 300=2501+0,0045 θ θ=501,2 θ=44,4°C
RF=Ri1+α θ 448,7 =428,61+0,0045 θ θ=10,41°C
Rf = 357 V
Ri = V
α = 0,0045 °C-1
Rf = 487,8 V
Ri = 448,7 V
α = 0,0045 °C-1
RF=Ri1+α θ 300=2501+0,0045 θ θ=43,92°C
RF =Ri1+α θ 487,8=448,71+0,0045 θ θ=19,35°C
Então,
U[V]
I[A]
R[ ]
[°C]
α[°C-1]
Pot [W]
25
0,1
250
x
0,0045
2,5
50
0,2
250
0
0,0045
10
75
0,25
300
44,4
0,0045
18,75
100
0,28
357,1
43,92
0,0045
28
125
0,32
390,6
20,93
0,0045
40
150
0,35
428,6
21,59
0,0045
52,5
175
0,39
448,7
10,41
0,0045
68,25
200
0,41
487,8
19,35
0,0045
82
Pot =i U (4)
3 – Para a atividade anterior, tomou-se como certeza que o coeficiente de temperatura do tungstênio como sendo = 0,0045. Este valor, no entanto, pode não ser o coeficiente de temperatura do tungstênio do filamento da lâmpada utilizada em sala. Por quê? Do que depende o coeficiente de temperatura? Como você faria o experimento para descobrir o para aquela lâmpada especificamente? Seria necessário medir mais alguma grandeza física? Qual?
Porque o filamento de Tungstênio consiste em uma liga metálica composta por diversos metais, em que o Tungstênio é elemento majoritário, de modo que cada fabricante utiliza uma concentração distinta do material, o que desencadeia coeficientes de temperatura distintos em cada filamento. Ora, tal coeficiente é uma característica inerente e invariável aos corpos, contudo que neste caso é variável, visto que a composição química deste filamento, também, é variável de fabricante a fabricante. Sendo assim, por mais que o coeficiente do Tungstênio seja de 0,0045°C-1, no caso das lâmpadas em geral, este coeficiente será diferente deste valor, visto que sua composição não é pura.
No caso do experimento realizado para descobrir qual o coeficiente de temperatura do filamento utilizar-se-ia a equação 2, RF =Ri(1+α θ), que através da relação entre tensão inicial e final, em função da variação de temperatura, a qual seria localizada através da medição da mesma utilizando, por exemplo, um termopar. Após a localização desta segunda grandeza física, substituir-se-ia os valores na equação, efetuando assim o cálculo do valor do α.
4 – Desenhe o diagrama elétrico do experimento realizado e indique o percurso da corrente convencional. Deixe explícito como foram ligados os componentes (amperímetro, voltímetro, lâmpada e fonte de tensão). O amperímetro e o voltímetro são ligado em série ou em paralelo? Por quê?
A figura 1 ilustra o diagrama elétrico do experimento realizado, indicando o sentido da corrente convencional, que percorre do polo positivo da fonte ao negativo. Sendo que a lâmpada encontra-se, em série em relação à fonte de tensão; enquanto o amperímetro dispõe-se em série em relação à lâmpada, e o voltímetro em paralelo em relação à última. A disposição série e paralelo, respectivamente, devem-se ao fato de que em um circuito fechado em série a corrente não varia, independente do ponto, de modo que autônomaa posição, será possível realizar a medida da corrente com o Amperímetro. Todavia, apesar da corrente ser constante em todos os pontos, o mesmo não ocorre com a tensão, no caso do circuito em série a tensão variade ponto em ponto, não sendo contínua ao longo do circuito, impedindo assim que a medição desta.
Isto já não acontece quando circuito está em paralelo, neste tipo de circuito a corrente irá dividir-se, de modo que haverá a geração de i1, i2, ... ix, contudo não havendo alteração na distribuição da tensão, que irá distribuir-se integralmente em todos os pontos em paralelo, de modo que ao desejar-se medir a tensão dispõe-se um voltímetro em paralelo em relação aos pontos que se deseja medir a diferença de potencial.
Figura 01 – Diagrama Elétrico do Experimento
5 – Cite ao menos duas fontes de erro para o experimento realizado.
A primeira fonte de erro consiste na natureza analógica da indicação do instrumento; todo instrumento analógico possui uma escala com ponteiro, a qual permite ao operador efetuar a leitura da indicação da grandeza física, neste caso a corrente e tensão. Contudo, devido ao fato da escala não possuir indicação precisa, tanto pela falta de símbolos suficientes, tanto pelas limitações visuais do operador – caracterizando assim, erro grotesco – a leitura do valor indicado é impreciso, o que desencadeia, portanto, erro.
Outra forma de erro é decorrente de má calibração dos instrumentos ou a falta da mesma. Os instrumentos utilizados para o experimentos são antigos e não são frequentemente utilizados, de modo que a calibração dos mesmos, no que se refere aos aspectos de exatidão e precisão, é falha; o que também acaba por desencadear erros na medição e indicação das grandezas.
6 – Calcule a energia elétrica utilizada na realização do experimento (supondo cada medição tenha durado 30 segundos).
Se, Pot =i U(4) e,
Eel =Pot t (5)
Então, como expressa a tabela da questão 1, a potência irá variar caso a caso, de modo que a potência total será igual a soma de todas estas, sendo então,
Pottotal = 2,5W + 10W + 18,75W + 28W + 40W + 52,5W + 68,25W + 82WPottotal = 302 W
Já que a lâmpada foi ligada oito vezes durante 30 segundos, e o tempo inicial é zero,
t=30 8 t=240 s t=0,07h
Eel =Pot t Eel =302 W 0,07 Eel =21,14Wh Eel =2,114 10-2KWh
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
_______. Lâmpadas Incandescentes. Disponível em: . Acesso em: 09 de jul de 2013.
_______. Luminotécnica. Disponível em: . Acesso em: 09 de jul de 2013.
BASTOS, D. Por dentro de uma lâmpada incandescente. Disponível em: . Acesso em: 09 de jul de 2013.
D'ORNELAS, S. Recorde: lâmpada está acesa há 110 anos. Disponível em: . Acesso em: 08 de jul de 2013.
DIAS, D. C. De que são feitas as lâmpadas? Disponível em: . Acesso em: 09 de jul de 2013.
RAMALHO. OsFundamentos da Física 3. P. 143-144. Disponível em: . Acesso em: 09 de jul de 2013.
SNAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Lâmpadas. Disponível em: . Acesso em: 09 de jul de 2013.
INCB – Instituto Newton C. Braga. Como funciona uma lâmpada incandescente? Disponível em: . Acesso em: 10 de jul de 2013.
