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Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro Física Experimental III Guia de Experiências Aulas 2012 1 Aos alunos… Este guia de experimentos de Física Experimental III corresponde à consolidação do curso que vem sendo ministrado no Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro nos últimos anos. Este curso dedi III, abordando a part carga horária de 2 ho cada uma abordando natureza.

Ao longo d asi ar 87 to view curso de Física Icos, com uma ividido em aulas, entos de mesma dois tipos de informação ao estudante. Uma delas, de natureza qualitativa, isando o entendimento dos conceitos de Física envolvidos nas experiências. A outra, pretende mostrar o método de trabalho em Física Experimental, pela discussão e análise dos resultados obtidos através do uso de métodos gráficos e numéricos, e pela avaliação dos erros e incertezas experimentais.

Programação de experiências Primeira parte (P 1): Experimento 1: Noções básicas de circuitos elétricos simples e lei de Ohm; Experimento 1 b: Lei de Ohm: circuitos em série e em paralelo; Experimento 2: Gerador de funcões e osciloscópio; Experimento 3: Capacitares e circuitos RC com onda quadrada;

Experimento 4: Indutores e circuitos RL com onda quadrada; Experimento 5: Circuitos RLC com onda quadrada; Experimento 7: Circuitos RC em corrente alternada; Experimento 8: Circuitos RC e filtros de frequência; Experimento g: Circuitos RL em corrente alternada; Experimento 10: Circuitos RLC em corrente alternada: ressonâncla Regulamento do curso Relatório-Questionário • Um questionário sobre cada uma das experiências deverá ser respondido pelo aluno e entregue ao professor até o início da aula seguinte. 2 • Os questionários valem 20% dos pontos distribuídos no curso.

Prova de segunda chamada • Somente farão a prova s estudantes que apresentarem uma justificativa formal, por escrito, (atestado médico, junta militar, etc… ) para a perda de uma das duas provas. O assunto da prova de segunda chamada será o assunto referente à prova perdida. C] Reposição de aula • A reposição de uma experiência perdida poderá ser feita em outra turma, desde que haja vaga e que ambos os professores (o professor da turma do estudante e o professor da turma em que se deseja fazer a reposição) estejam de acordo.

C Frequência • Será exigida a freqüência mínima de 75% das aulas, através de chamada. Teremos 12 aulas, incluindo as duas provas. O Imite permitido de faltas é 3. O Avaliação • A avaliação consistirá de duas provas práticas/escritas sobre o assunto de cada uma das duas partes do curso. O estudante poderá ser avaliado mesmo sobre o assunto das aulas a que ele eventualmente tenha faltado. • O valor das avaliações será de 80% dos pontos do curso. • Teremos duas semanas de provas para cada prova. A turma será dividida em duas, uma metade faz a prova na primeira semana PAGF 87 para cada prova.

A turma será dividida em duas, uma metade faz a prova na primeira semana e a outra na segunda semana. Sugerimos que a divisão da turma seja feita por ordem alfabética e que, os que fizeram a prmeira prova na primeira semana de provas façam a segunda prova na segunda semana de provas e vice-versa. • O estudante só poderá fazer a prova em uma das turmas de seu professor. Bibliografia [1] Fundamentos da Teoria de Erros – José Henrique Vuolo – Editora Edgar Blücher Ltda. – 1992. [2] Fundamentos de Física – Halliday-Resnick-Walker – Vol. 3 – John Wiley and Sons – CTC S.

A. [3] Física Básica – H. M. Nussenzveig – Vol. 3 – Edgar Blucher – SP. Experimento 1 — Noções básicas de circuitos elétricos simples e Lei de Ohm 1. OBJETIVO O objetivo desta aula é introduzir noções básicas relacionadas à medição de grandezas elétricas e à observação de algumas características fundamentais de alguns componentes simples que são usados em circuitos elétricos e fazer a verificação da lei de Ohm para um resistor ôhmico. 2. MATERIAL UTILIZADO multímetro digital; amperímetro; fonte de alimentação; resistor: R -IOk ; 3.

INTRODUÇÃO Existem duas quantidades que normalmente queremos acompanhar em circuitos elétricos e eletrônicos: voltagem e corrente. Essas grandezas podem ser constantes ou variáveis no tempo. Vejamos a seguir algumas definições. 3. 1 – Voltagem A voltagem, ou diferença de potencial entre dois pontos, é o custo em energia, ou seja, o trabalho necessário para mover uma carga unitária de um ponto com um otencial elétrico mais baixo a outr necessário para mover uma carga unitária de um ponto com um potencial elétrico mais baixo a outro de potencial elétrico mais alto.

O conceito de potencial elétrico é muito similar ao conceito de potencial g avitacional. Mover uma carga de um ponto cujo potencial é menor para outro ponto de potencial maior é um processo similar a mover uma massa de uma posição a outra. Para mover a massa do chão até um ponto situado sobre uma mesa a energia potencial é alterada. Podemos definir como zero de energia potencial o solo, e neste caso estaremos ganhando energia potencial gravitacional. Se definirmos o potencial zero como sendo o nível da mesa, o solo terá um potencial negativo.

Mesmo assim, ao mover a massa no sentido do chão para a mesa, ganhamos energia potencial! Com o potencial elétrico ocorre o mesmo. Temos que definir um ponto de referência, as medidas que realizamos correspondem às diferenças de potencial elétrico entre a referência e um outro ponto qualquer o espaço. Costuma-se definir esse ponto de referência como sendo a terra (o solo). A voltagem entre dois pontos, portanto, é a diferença que existe entre os potenciais desses pontos. Fica claro que só há sentido em definir voltagem ENTRE DOIS PONTOS.

O trabalho realizado ao se mover uma carga de 1 coulomb através de uma diferença de potencial de um volt é de 1 joule. A unidade de medida de diferença de potencial é o volt (V), e frequentemente é expressa em múltiplos tais como o quilovolt (l kV=103 V), milivolt (1 mv=10-3 V), microvolt (1 V=10-6 V), etc. 4 3. 2 – Corrente Usualmente identificada pelo milivolt (1mV—10-3 V), microvolt (1 VEIO-6 V), etc. 3. 2 – Corrente Usualmente identificada pelo símbolo i, a corrente é o fluxo de carga elétrica que passa por um determinado ponto. A unidade de medida de corrente é o ampere (IA = 1 coulomb/segundo).

O ampere, em geral, é uma grandeza muito grande para as aplicações do dia-a-dia. Por isso, as correntes são geralmente expressas em mili-amperes (1mA—10-3A), micro-amperes (1 A=10-6 A) ou nano-amperes (InA=10-9A). Por convenção, os portadores de corrente elétrica são cargas positivas que fluem de potenciais mais altos para os mais baixos embora o fluxo de elétrons real seja no sentido contrário). 3. 3 — Resistência para que haja fluxo de cargas elétricas são necessários dois ingredientes básicos: uma diferença de potencial e um meio por onde as cargas elétricas devem circular.

Para uma dada voltagem, o fluxo de cargas dependerá da resistência do meio por onde essas cargas deverão passar. Quanto maior a resistência, menor o fluxo de cargas para uma dada diferença de potencial. Os materiais são classificados, em relação ? passagem de corrente elétrica, em três categorias básicas: os isolantes, que são aqueles que oferecem alta resistência ? assagem de cargas elétricas, os condutores, que não oferecem quase nenhuma resistência à passagem de corrente elétrica e os semicondutores que se situam entre os dois extremos mencionados anteriormente.

O símbolo que utilizamos para indicar a resistência de um material é a letra Re a unidade de resistência elétrica é o ohm ( O símbolo para indicar uma resist s 7 letra R e a unidade de resistência elétrica é o ohm ( O símbolo para indicar uma resistência em um circuito elétrico é mostrado na Figura 1 abaixo: Figura 1: Representação esquemática de um resistor colocado ntre os pontos A e B de um dado circuito.

As diferenças de potencial são produzidas por geradores, que são dispositivos que realizam trabalho de algum tipo sobre as cargas elétricas, levando-as de um potencial mais baixo para outro mais alto. Isso é o que ocorre em dispositivos como baterias (energia eletroquímica), geradores de usinas hidrelétricas (energia potencial da água armazenada na represa), células solares (conversão fotovoltaica da energia dos fótons da luz incidente), etc… A resistência R de um material condutor é definida pela razão entre a voltagem V aplicada aos seus terminais e pela orrente i passando por ele: V. A Equação 1 é uma das representações da Lei de Ohm, que será muito utilizado neste curso. Por IV / A. essa equação vemos que no SI a unidade de resistência é definida por 1 Na montagem de circuitos elétricos e eletrônicos dois tipos de associação de elementos são muito comuns: associações em série e em paralelo. 3. 3. 1 – Associação de resistores em série Na Figura 2a mostramos uma associação de resistores RI e R2 em série. único resistor equivalente de resistência RS (Figura 2b).

Na associação em série de resistores, a corrente il passando por RI 2 por R2 são a mesma corrente i passando pela associação: iii 12 VBC somadas são iguais ? As voltagens no resistor RI , VI VAB e no resistor R2 , V2 voltagem da associação VAC : VAC VAB VBC VI V2 para a associação em série de resistores temos: RSRI R2 . 3. 3. 2 – Associação de resistores em paralelo Na Figura 3a mostramos uma associação de resistores RI e R2 em paralelo. 6 Figura 3: a) Associação em paralelo de resistores. b) Resistor equivalente.

Num circuito elétrico os dois resistores associados em paralelo (Figura 3a) têm o mesmo efeito de um único resistor equivalente de resistência R P (Figura 3h). Na associação em paralelo de resistores, a soma da corrente il passando por RI e i 2 por R2 é a corrente total i passando pela associação: PAGF 7 87 circuito. Para isso, existem diversos instrumentos, como o voltímetro e o amperímetro, que nos permitem realizar essas “medidas”. Esses instrumentos indicam o valor medido através do movimento de uma agulha ou ponteiro em uma escala (mostradores analógicos), ou por um mostrador digital.

Um outro instrumento, mais versátil, que iremos utilizar é o osciloscópio. Com ele podemos literalmente “ver” voltagens em função do tempo em um ou mais pontos de um circuito. Teremos a portunidade de trabalhar com osciloscópios um pouco mais ? frente no curso, quando utilizarmos correntes e voltagens que variam no tempo. 7 Inicialmente vamos nos restringir à correntes e voltagens que não variam no tempo, ou seja, que possuem um valor constante. Elas são classificadas como contínuas.

IJsamos o termo genérico CORRENTE CONTÍNUA quando nos referimos a voltagens e correntes que não variam no tempo. Para as voltagens e correntes que variam no tempo damos o nome genérico de CORRENTES ALTERNADAS. Os equipamentos disponíveis para nossas medldas na aula de hoje são o multímetro digital e o amperímetro analógico. Temos também uma fonte de alimentação DC e uma pilha voltaica. Há ainda uma bancada com diversos resistores e capacitores que serão utilizados nas montagens experimentais.

Vamos introduzir o uso de todos esses equipamentos através de experimentos que serão realizados no decorrer do curso. 3. 4. 1 – Fonte de alimentação DC A fonte de alimentação DC (corrente direta do termo original em inglês) na bancada é um equipamento utilizado para transformar a corrente alternada que PAGF 8 7 original em inglês) na bancada é um equipamento utilizado para transformar a corrente alternada que existe na rede normal de istribuição, em corrente contínua.

As fontes utilizadas neste curso serão fontes de voltagem varável, ou seja, a voltagem nos terminais pode ser variada entre OV e algumas dezenas de volts. Há um botão giratório no painel frontal que é usado para ajustar a voltagem de saída da fonte. Esta voltagem pode ser usada nos circuitos apenas conectando os cabos nos conectores de saída da fonte, identificados com as cores vermelha (positivo) e preta (negativo). Representamos uma fonte de corrente contínua pelo simbolo mostrado na Figura 4. Figura 4: Representação de uma fonte DC de voltagem varável.

Num circuito elétrico a fonte DC é um elemento polarizado, isto significa que a corrente sai de seu terminal positivo (3) e entra em seu terminal negativo (A). Se a polaridade não for respeitada, alguns componentes do circuito podem ser danificados. 3. 4. 2 Amperímetro O amperímetro da bancada é um instrumento analógico (existem também os amperímetros digitais) cujo funcionamento se baseia no galvanômetro. Galvanômetro é o nome genérico de um instrumento capaz de acusar a passagem de uma corrente elétrica.

Seu princípio de funcionamento é baseado nos efeitos magnéticos associados às correntes létricas. Ao fazermos passar uma corrente elétrica por um condutor, geramos um campo magnético à 8 sua volta. Se este condutor for enrolado na forma de uma espiral (ou várias delas), podemos verificar que ele se comporta exatamente como um imã, o uma espiral (ou várias delas), podemos verificar que ele se comporta exatamente como um imã, ou como uma agulha de uma bússola, causando e sofrendo forças e torques devido a interações com outros imãs, ou campos magnéticos externos.

Este é o princípio de funcionamento básico do galvanômetro: uma bobina muito leve formada por muitas espiras de fio de obre, com diâmetro da ordem da espessura de um fio de cabelo, é montada de tal maneira que quando passa uma corrente por ela, um torque é gerado fazendo com que haja uma deflexão de uma agulha, conforme mostrado na Figura 5 abaixo. Figura 5: Representação esquemática de um galvanômetro.

As espiras são enroladas em um cilindro que gira preso a um eixo quando uma corrente passa pelas mesmas. O torque produzido no fio de cobre das espiras é equilibrado pelo torque da mola de torção (mola restauradora) mudando a posição da agulha de medida. Uma observação importante é que o torque gerado pela assagem da corrente é uma grandeza vetorial e, portanto, possui direção e sentido.

O fabricante indica por onde a corrente deve entrar no galvanômetro POIS se invertermos o sentido da corrente, a agulha será defletida no sentido oposto e isso pode causar danos ao aparelho. A deflexão da agulha pode ser entendida analisando-se a força de Lorentz que atua nas OC] v cargas em movimento nas espiras. Uma carga q , movendo- se com velocidade , sujeita à ação de B Fum campo magnético CII] , sofre ação de uma força OC] q dada por: A deflexão da agulha é proporcional à corrente elétrica que pas