Roteiros DO Laboratório DE Eletricidade E Magnetismo 2019 PDF

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Ensinos sobre eletromagnetismo através de roteiros laboratoriais....

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Laboratório de Eletricidade e Magnetismo Roteiros das Atividades Práticas

UFERSA, 2019

Roteiros de Laboratório

LAB LABORA ORA ORATÓ TÓ TÓRIO RIO DE ELE ELETRICIDA TRICIDA TRICIDADE DE E MA MAGNET GNET GNETISM ISM ISMO O

AP APRESEN RESEN RESENTAÇ TAÇ TAÇÃO ÃO O Laboratório de Eletricidade e Magnetismo (LEM) é parte integrante do ciclo básico do curso de Bacharelado em Ciência e Tecnologia da UFERSA. Ele deve ser cursado concomitantemente com a disciplina teórica Eletricidade e Magnetismo ou, em outro caso, o aluno já deve ter cursado a teórica. O objetivo dessa apostila é apresentar os roteiros, bem como a metodologia de executá-los nas aulas de laboratório. As atividades experimentais são fundamentais para que os alunos tenham a oportunidade de observar as aplicações da Física com respeito à Eletricidade e Magnetismo, e em alguns casos, uma experimentação direta com relação às engenharias. Por isso, acredita-se que essa nova metodologia irá contribuir de forma mais efetiva, aumentando a participação de todos os alunos. Além disso, os alunos irão aprender a organizar relatórios, lidar com termos técnicos, ter a disciplina básica para uma experimentação científica e apresentar as ideias. Estes são pontos extremamente importantes para o desenvolvimento acadêmico e profissional do aluno. O LEM será dividido em três unidades, cada uma delas compostas por quatro. Ao final de cada ciclo de roteiros de cada unidade, os alunos farão uma avaliação escrita referente à teoria e prática daquela unidade. Os roteiros devem ser lidos previamente para um melhor desenvolvimento.

PR PROGR OGR OGRAM AM AMA A D DA A DI DIS SCIPLIN IPLINA A

UNIDADE III

UNIDADE II

UNIDADE I

O LEM é dividido em três unidades, cada uma com seus respetivos roteiros experimentais como é mostrado abaixo. ROTEIRO INTRODUTÓRIO (RI)

Instrumentos de Medidas Elétricas

ROTEIRO NÚMERO 1 (R1)

Eletrificação e Interações Eletrostáticas

ROTEIRO NÚMERO 2 (R2)

Superfícies Equipotenciais

ROTEIRO NÚMERO 3 (R3)

Gerador de Van de Graaff

ROTEIRO NÚMERO 4 (R4)

Associação de Capacitores

PROVA TEÓRICA 1 (P1)

Avaliação teórica dos conteúdos da Unidade I

ROTEIRO NÚMERO 5 (R5)

Lei de Ohm e Resistência Interna de uma Pilha

ROTEIRO NÚMERO 6 (R6)

Associação de Resistores

ROTEIRO NÚMERO 7 (R7)

Leis de Kirchhoff

ROTEIRO NÚMERO 8 (R8)

Divisor de Tensão

PROVA TEÓRICA 2 (P2)

Avaliação teórica dos conteúdos da Unidade II

ROTEIRO NÚMERO 9 (R9)

Carga e Descarga de Capacitores

ROTEIRO NÚMERO 10 (R10)

Semicondutores

ROTEIRO NÚMERO 11 (R11)

Campo Magnético da Terra

ROTEIRO NÚMERO 12 (R12)

Lei de Lenz e Faraday

PROVA TEÓRICA 3 (P3)

Avaliação teórica dos conteúdos da Unidade III

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Roteiros de Laboratório

MÉ MÉTOD TOD TODO O DE AVA AVALIAÇ LIAÇ LIAÇÃO ÃO Cara aula experimental será conduzida por uma atividade prática em grupo, que poderá ter até no máximo 06 (seis) componentes. Serão 13 (treze) aulas práticas e 03 (três) avaliações escritas. Cada unidade do LEM é dividida entre o conjunto de roteiros respectivos à unidade e uma avaliação teórica. A média das notas obtidas nos roteiros da unidade 𝑖 equivale a 𝑀𝑅𝑖 , e corresponderá em 60% da nota da unidade 𝑁𝑖 , os 40% restantes é dado pela nota advinda da avaliação teórica 𝑃𝑖 , assim, 𝑁𝑖 = 0,6(𝑀𝑅𝑖 ) + 0,4(𝑃𝑖 ), o índice i equivale a i = 1, 2, 3 (que é o respectivo indicador da unidade). O aluno é aprovado quando a média dos valores de 𝑁𝑖 for maior ou igual a 7,0 (sete), seguindo as regras de avaliação da UFERSA. Ao final de cada atividade o aluno ficará responsável de enviar o arquivo em formato .pdf, no tempo determinado, via SIGAA, como uma atividade.

IN INFORM FORM FORMAÇÕE AÇÕE AÇÕES S IM IMPO PO PORTANT RTANT RTANTES ES Caso o aluno venha a faltar, será atribuída a nota ZERO, não há reposição de práticas experimentais. O aluno terá direito a uma prova de reposição da avaliação teórica e será realizada ao final do curso em horário específico, segundo as regras da UFERSA. O discente tem direito a revisão e discussão dos roteiros e das avaliações. Todas as notas, bem como as frequências são divulgadas frequentemente no SIGAA, caso haja algum equívoco, entrar em contato em tempo hábil.

SUM SUMÁR ÁR ÁRIO IO INSTRUMENTOS DE MEDIDAS ELÉTRICAS .........................................................................................3 ELETRIFICAÇÃO E INTERAÇÕES ELETROSTÁTICAS ........................................................................ 11 SUPERFÍCIES EQUIPOTENCIAIS ........................................................................................................ 19 GERADOR DE VAN DE GRAAFF .......................................................................................................... 28 ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES ....................................................................................................... 34 LEI DE OHM E RESISTÊNCIA INTERNA DE UMA PILHA ..................................................................... 43 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES ..........................................................................................................55 LEIS DE KIRCHHOFF............................................................................................................................61 CARGA E DESCARGA DE CAPACITORES ..........................................................................................76 SEMICONDUTORES.............................................................................................................................85

(A) DIODOS.....................................................................................................................................87 (B) O FOTORESISTOR LDR ...............................................................................................................88 CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA ......................................................................................................... 97 LEI DE LENZ E FARADAY...................................................................................................................109 REFERÊNCIAS ................................................................................................................................... 117

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Roteiros de Laboratório

INSTRUMENTOS DE MEDIDAS ELÉTRICAS O multímetro é um equipamento que incorpora diversos aparelhos de medidas, tais como, o voltímetro, o amperímetro e o ohmímetro, como padrão. Dependendo do fabricante do produto, o capacímetro, frequencímetro, termômetro e teste de diodos poderão vir no multímetro, dentre outras técnicas. Cada uma destas funções vem com fundos de escala apropriados. Abaixo são encontradas as imagens dos multímetros utilizados neste laboratório, bem como o uso correto das pontas de prova para cada tipo de medidor utilizado. É importante ressaltar que, embora haja um conjunto de técnicas, elas não podem ser usadas concomitantes.

Figura 1 – Multímetro digital;

Figura 2 – Especificação do fundo de escala;

Figura 3 – Situações de conexão das pontas de prova

Um resistor é um componente limitador de corrente, caracterizado por seu valor de resistência, muitas vezes representado pela letra R. A unidade no SI de resistência é o ohm (Ω). Existem muitas aplicações para um resistor, como por exemplo, a resistência do chuveiro elétrico, é um componente muito comum em aparelhos eletrônicos. Inclusive alguns resistores variam seus valores de resistência com alguma mudança de parâmetro físico, como por exemplo, a luz ou a temperatura. Eles geralmente são usados em sensores. Alguns exemplos de resistores e a simbologia eletrônica utilizada são mostrados na Figura 4. Leitura pelo código de cores

Simbologia Resistor comum: Potenciômetro: Reostato:

Figura 4 - Exemplos de resistores com leitura pelo código de cores e a simbologia eletrônica; Geralmente, os resistores podem trazer seus valores de resistência nominal usando o código de cores ou diretamente impresso no resistor. O código de cores é uma padronização internacional utilizando faixas de cores, cada uma com uma identificação numérica, como mostra a tabela ao lado. Para saber o valor da resistência pelo código de cores é necessário seguir algumas informações importantes. Como exemplo, tem-se um resistor identificado pelo CÓDIGO DE CORES. A PRIMEIRA COR sempre é aquela mais próxima do final do resistor, uma vez especificada esta cor, as seguintes são identificadas da esquerda para a direita. Quando as cores e suas posições estão estabelecidas, para a medida da resistência é necessária a utilização da seguinte equação, sabendo que o resultado já é em Ω (ohm) e a QUARTA COR indica o erro no valor da resistência:

Somente após a leitura nominal o experimentador poderá escolher a melhor Laboratório de Eletricidade e Magnetismo – 2019.2 / DISCENTE:

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Roteiros de Laboratório escala no multímetro. A seguir é explicado como medir o valor da resistência.

MEDINDO A RESITÊNCIA: Para medir a resistência de um componente são necessários alguns passos. Para isso fique atento a estas informações. O ohmímetro é o aparelho que mede a resistência. O experimentador NUNCA deve medir a resistência de um componente enquanto o mesmo estiver em um circuito alimentado por uma fonte (bateria)!

Figura 5 - Medida da resistência do componente R; PASSO 1: Escolha o componente e faça a leitura nominal antes da medida. Uma vez conhecido o valor de resistência nominal, escolha a escala apropriada no multímetro. PASSO 2: Conecte o terminal do multímetro ao componente, como mostrado na Figura 5, o valor da resistência deve aparecer no visor. Ficar atento à escala utilizada (pode ser Ω, kΩ, MΩ). EXEMPLO 1: Se um resistor tem as cores: marrom (1ª cor), vermelho (2ª cor), verde (3ª cor) e dourado (4ª cor). Usando a tabela de cores é escrita a equação da resistência R = [10 x (marrom) + (vermelho)] x 10(verde) = [10 x (1) + (2)] x 10(5)= [10 + 2] x 105, o que resulta em R = 12 x 105 Ω ±5%, este será o valor nominal da resistência. A corrente elétrica muitas vezes representada pela letra i (minúscula ou maiúscula) é resultado de um fluxo ordenado dos portadores de carga devido a uma diferença de potencial existente entre os terminais de um componente. A unidade é o ampère (A). O medidor de corrente é chamado de amperímetro. A corrente é dita contínua se o movimento dos portadores é no mesmo sentido, e tem módulo constante no tempo. É representado pelas simbologias: CC ou DC (advindo do inglês direct current), ou simplesmente por um traço reto (−). Como exemplo, as correntes geradas por baterias de carro, moto ou pilha em circuitos com resistores comuns. A corrente alternada alterna seu sentido no tempo, geralmente de forma senoidal, contudo é possível existir outras formas de ondas, como por exemplo, ondas triangulares e quadradas. Representada por CA ou AC (advindo do inglês alternating current), ou por um ‘til’ (~). Um exemplo são as correntes fornecidas pelas tomadas de nossas casas. MEDINDO A CORRENTE: Para medir a corrente contínua que atravessa um componente, é necessário que o circuito tenha uma energia associado a ele. Esta energia é proveniente de uma fonte de alimentação. O experimentador deve saber qual o valor da corrente teórica que atravessa o componente em questão para escolher a melhor escala! PASSO 1: Abra o circuito-base da Figura 6, retirando um dos terminais do componente que se deseja medir a corrente; PASSO 2: Uma vez o circuito em questão estando aberto, a ligação entre as duas partes é feita com o multímetro, certificando-se que o terminal COM esteja mais próximo do terra da fonte, como mostrado na Figura 7. O valor da corrente deve aparecer no visor do multímetro.

Figura 6 - Circuito-base;

Figura 7 – Medida da corrente com um multímetro;

Tensão elétrica ou diferença de potencial (ddp), algumas vezes representada por ΔV é dada pela associação da energia potencial elétrica por unidade de carga entre dois pontos. A unidade é o volt (V). Se a corrente que Laboratório de Eletricidade e Magnetismo – 2019.2 / DISCENTE:

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Roteiros de Laboratório atravessa um material é contínua, a ddp será contínua, sendo representada por V−, VCC ou VDC. Para ddp’s alternadas, produzidas por correntes alternadas, a representação é dada por V~, VAC ou VCA. Fique atento a estas representações para não confundi-las. Posteriormente, será explicado com mais detalhes sobre a ddp alternada, por enquanto vale ressaltar que as tomadas fornecem uma ddp alternada de 220 V. Um exemplo de ddp contínua é aquela fornecida por baterias de carros, motos e celulares. MEDINDO A DDP: Para medir a ddp sobre um componente, é necessário que o circuito tenha uma energia associado a ele. Esta energia é proveniente de uma fonte de alimentação. CUIDADOS: O experimentador deve saber qual o valor da corrente teórica que atravessa o componente em questão para escolher a melhor escala! PASSO 1: No circuito-base da Figura 8 escolha o componente que queira medir a ddp. Observe qual terminal está mais próximo do positivo da fonte, e o terminal mais próximo do negativo da fonte. PASSO 2: Os terminais do multímetro devem estar conectados sobre os terminais do componente em que se deseja medir a ddp, respeitando o aumento de tensão no circuito, como mostrado na Figura 9. O valor da ddp deve aparecer no visor do multímetro.

Figura 8 - Circuito-base;

Figura 9 – Medida da corrente com um multímetro;

Questões Importantes: Instrumentos de Medidas Elétricas QUESTÃO 01: Marque V para verdadeiro e F para falso nas afirmações abaixo. ( ) Para se medir a queda de potencial em um resistor qualquer, deve-se colocar o amperímetro em paralelo com o resistor de estudo. ( ) Para se medir a corrente através de um resistor, deve-se colocar o voltímetro em paralelo com o resistor. ( ) Para se medir a corrente através de um resistor, deve-se colocar o amperímetro em série com o resistor. ( ) O amperímetro pode ser inserido sobre a fonte de alimentação para medir a corrente que a atravessa. ( ) Para medir a resistência de uma bateria, deve colocar o ohmímetro em paralelo com a fonte. QUESTÃO 02: Qual dos circuitos abaixo têm um voltímetro (V) e um amperímetro (A) inseridos corretamente num circuito para fazer as leituras da tensão e da corrente, respectivamente, do resistor R.

QUESTÃO 03: Comente sobre as resistências internas do voltímetro e do amperímetro. Resistência interna do voltímetro:

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Roteiros de Laboratório Resistência interna do amperímetro:

QUESTÃO 04: Preencha as informações que estão faltando sobre as medidas das resistências nominais de cada resistor pelo código de cores. SEQUÊNCIA DAS CORES

SEQUÊNCIA DAS CORES

SEQUÊNCIA DAS CORES

1ª

verde

1ª

preto

1ª

laranja

2ª

vermelho

2ª

marrom

2ª

laranja

3ª

preto

3ª

preto

3ª

laranja

4ª

ouro

4ª

sem cor

4ª

prata

VALOR NOMINAL DE R1 R1T =

SEQUÊNCIA DAS CORES

VALOR NOMINAL DE R2 R2T =

SEQUÊNCIA DAS CORES

VALOR NOMINAL DE R3 R3T =

SEQUÊNCIA DAS CORES

1ª

1ª

1ª

2ª

2ª

2ª

3ª

3ª

3ª

4ª

4ª

4ª

VALOR NOMINAL DE R1 R4T = 200 Ω ±5%

VALOR NOMINAL DE R2 R5T = 9400000 Ω ±20%

VALOR NOMINAL DE R3 R6T = 27000 Ω ±10%

QUESTÃO 05: No circuito abaixo existe uma associação de resistores (𝑅1 , 𝑅2 , 𝑅3 e 𝑅4 ) e uma fonte de alimentação 𝜀. Um experimentador deseja medir a corrente em 𝑅1 e a ddp em 𝑅3 . Redesenhe o circuito inserindo o amperímetro e o voltímetro corretamente segundo o desejo do experimentador. Resposta:

QUESTÃO 06: Se um experimentador tem de medir uma ddp usando o multímetro qualquer, como ele deve proceder para escolher o melhor fundo de escala? Resposta:

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Roteiros de Laboratório

ROTEIRO INTRODUTÓRIO: Instrumentos de Medidas Elétricas AVISOS IMPORTANTES: Preencha de forma legível as informações solicitadas por este roteiro. Abaixo é indicado o espaço para assinatura dos membros do grupo. Cada membro deve assinar com o próprio punho. Preencha, também, a data e o horário em que foi realizada a prática laboratorial. Estas informações são obrigatórias para que seja avaliado este documento e são de responsabilidade do discente-autor. Para àquelas informações que ficarão em branco, favor passar um traço, ou escrever INEXISTENTE. Este roteiro devidamente preenchido deverá ser escaneado e postado no SIGAA no período estipulado pelo professor, no formato pdf.

INFORMAÇÕES DE RESPONSABILIDADE DOS DISCENTES EXPERIMENTO REALIZADO EM _____/ _____/ _____, NO HORÁRIO: _______________. NOME DOS INTEGRANTES DO GRUPO (inserir o nome de todos os alunos integrantes do mesmo grupo experimental, e não deve exceder o número de seis pessoas por grupo de prática laboratorial): 1. 4. 2.

5.

3.

6.

OBJETIVO: Realizar procedimentos e cuidados para medida da resistência, ddp e corrente; COMPETÊNCIAS E HABILIDADES: Nesta atividade o experimentador realizará medidas de resistência, ddp e corrente elétrica com o multímetro, para isso, realize os passos necessários para estas medidas. Confira o material e identifique cada objeto que será utilizado. Montes os circuito utilizando as figuras apresentadas. Em sequência, desenvolva as ações como pede a atividade. Marque com um X nos parênteses do material que for existente na prática, caso não tenha o material, favor deixar em branco.

MATERIAL NECESSÁRIO:

( ) 3 resistores;

( ) 1 multímetro;

( ) 1 fonte de alimentação;

( ) 1 protoboard;

( ) Cabos e conectores;

( ) Fios link;

PARTE I (MEDINDO A RESISTÊNCIA NOMINAL): Usando três resistores de uso comum, posicione-os corretamente no protoboard como mostra a Figura 10, de forma que não haja conexão entre eles, nem curtocircuito.

R1

R2

R3

Figura 10 – Resistores posicionados no protoboard; Escreva a sequência de cores e calcule a resistência nominal de cada um destes elementos na Tabela 1. Caso o resistor não tenha a quarta cor, escreva “inexistente”.

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Roteiros de Laboratório Tabela 1 - Leituras nominais das resistências; SEQUÊNCIA DAS CORES

SEQUÊNCIA DAS CORES

SEQUÊNCIA DAS CORES

1ª

1ª

1ª

2ª

2ª

2ª

3ª

3ª

3ª

4ª

4ª

4ª

VALOR NOMINAL DE R1

VALOR NOMINAL DE R2

R1T =

VALOR NOMINAL DE R3

R2T =

R3T =

PARTE II (MEDINDO A RESISTÊNCIA): Com os valores nominais da resistência dos componentes R 1, R2 e R3, ver...