Laboratório de FIS-32
E04 - Divisor de tensão e ponte de Wheatstone
OBJETIVO:
● Entender o funcionamento de um divisor de tensão;
● Entender o funcionamento, o processo de calibração e a utilização de um potenciômetro para medir a tensão de uma fonte desconhecida;
● Entender o funcionamento e o processo de medida de resistências utilizando ponte de Wheatstone. MATERIAIS: Multímetro Digital Minipa Resistores de 220 Ω e 1kΩ. Fonte de tensão desconhecida
Potenciômetro
de fio Ni-Cr
Fonte variável 0 – 10 Vcc 0 - 7,5 Vca Fonte padrão 1,5 e 5V Resistores desconhecidos Fios e conectores 1 - INTRODUÇÃO TEÓRICA 1.1 - DIVISOR DE TENSÃODivisor de tensão, como o próprio nome sugere, é um circuito que permite obter tensões com valores inferiores ou no máximo iguais ao de uma dada fonte de tensão. Essas tensões podem ser fixas utilizando resistores fixos, ou variáveis utilizando resistores variáveis ou reostatos.
Esse circuito pode ser implementado através de dois resistores em série, conforme ilustrado pela figura 1. A razão entre a tensão de entrada e a tensão de saída é dada por
.
V
out= V
in R1Figura 1: Diagrama ilustrativo de um divisor de tensão.
1.2 - PONTE DE WHEATSTONE
A ponte de Wheatstone é um circuito elétrico capaz de realizar a medida de uma resistência elétrica RX. Nesta experiência construiremos um circuito desse tipo e investigaremos o seu funcionamento. A ponte de Wheatstone pode ser entendida como um par de divisores de tensão em paralelo cujas tensões de saída são comparadas por um sensor de tensão.
Diz-se que a ponte está equilibrada quando tensão elétrica acusada pelo sensor é nula, isto é, quando ambas as tensões de saída de cada divisor de tensão são iguais. Nesse caso, vale a seguinte relação
Denotando I a corrente que circula por R e Rx, e I' a corrente que circula por R1 e R2, segue que
Os valores de corrente cancelam-se em ambos os lados da equação. As resistências R 1 e R2podem ser implementadas por um reostato, de tal forma que R1∝l1 e R2 ∝l2, onde l 1e l2 representam medidas de comprimento.
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Dessa maneira, a resistência elétrica R X pode ser determinada em termos de uma resistência conhecida de referência R e medidas de comprimento l1 e l2.
Figura 2. Circuito da ponte de Wheatstone utilizada neste experimento.
1.3 - POTENCIÔMETRO
O circuito potenciométrico permite medir a diferença de potencial entre dois pontos, sem extrair praticamente corrente do circuito. Sob este aspecto, ele se aproxima de um voltímetro ideal quanto à precisão na medida da força eletromotriz de uma fonte de tensão.
No circuito mostrado pela Figura 3, a fonte de tensão ajustável fornece tensão de 2,0 Vcc, a resistência R F corresponde a um reostato funcionando como um divisor de tensão, o sensor de tensão está funcionando como um galvanômetro, VP é uma fonte eletrônica padrão, e Vx é a tensão desconhecida a ser determinada.
Pode-se observar que o potenciômetro é corresponde a uma segunda aplicação de um divisor de tensão. A posição (1) da chave do circuito permite calibrar o potenciômetro com a fonte de tensão conhecida, enquanto a posição (2) é utilizada para determinar a tensão desconhecida.
Figura 3. Diagrama esquemático de um potenciômetro.
2 – PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
AVISO!
Antes de ligar a fonte de tensão variável, certifique-se que o botão de ajuste de tensão da mesma esteja totalmente girado no sentido anti-horário.
PARTE A: DIVISOR DE TENSÃO
2.1. Ajuste a fonte de tensão de tensão contínua ajustável para 2 Vcc. Em seguida, monte o circuito da Figura 1.
2.2. Meça os valores de tensão em 10 posições do reostato começando pela posição conectada ao terminal negativo da fonte de tensão. Monte uma tabela com os valores obtidos. 2.3. Trace o gráfico de tensão versus posição do reostato e realize um ajuste linear entre tensão elétrica e a posição do reostato com base nos dados coletados. Discuta os resultados.
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PARTE B: PONTE DE WHEATSTONE
2.4. Monte o circuito mostrado na Figura 2, utilizando o valor da resistência conhecida R=220Ω ou 1kΩ. A resistência desconhecida R x corresponde aos resistores desconhecidos fixados na placa fornecida.
2.5. Para cada resistor Rx, anote a posição L 1que corresponde a uma leitura nula do sensor de tensão. Determine o valor de cada um dos resistores R x desconhecidos e suas respectivas incertezas.
2.6. Compare seus resultados com a leitura do multímetro funcionando como um ohmímetro.
PARTE C: POTENCIÔMETRO Calibração do potenciômetro
2.7. Monte o circuito da Figura 3. A calibração do circuito potenciométrico será realizada com a fonte eletrônica padrão que fornece VP=1,5 VCC.
2.8. Determine a posição L pque deve ser colocado o sensor de tensão de modo que se tenha VP = VAC . Verifique se essa posição está de acordo com a escala obtida no procedimento 2.3 do experimento.
Medida da força eletromotriz da fonte de tensão desconhecida
2.9. Substitua a fonte padrão pela fonte desconhecida de força eletromotriz V x. Ajuste o cursor C até a nova posição LX em que a leitura do sensor de tensão se anula.
2.10. Determine uma expressão teórica que forneça o valor da força eletromotriz da fonte desconhecida V x em termos de Vp, L p e Lx. Com base nessa expressão, determine o valor de VX.
2.11. Meça Vx com o multímetro e compare os resultados obtidos.
3 – QUESTIONAMENTOS
3.1. Os resultados obtidos na PARTE A do experimento estão de acordo com a 2 alei de Ohm? Justifique sua resposta e interprete a origens de cada um dos parâmetros obtidos no item 2.3. 3.2. Discuta os resultados obtidos na PARTE B e comente como o valor de R deve ser escolhido a fim de minimizar os erros associados ao procedimento realizado.
Cada grupo deve entregar um relatório contendo a descrição do procedimento
experimental realizado, resultados obtidos e respostas aos questionamentos feitos ao longo do roteiro do experimento. O relatório deve conter as seguintes seções:
● Resumo;
○ Descrever sucintamente o experimento realizado. ● Introdução;
○ Apresentar uma motivação e contextualização do experimento
○ Apresentar uma breve introdução teórica com todas as equações e fundamentos físicos a serem utilizados ao longo da discussão dos resultados.
● Descrição experimental;
○ Apresentar o material utilizado no experimento e os tipos de montagem realizadas.
● Resultados e discussões;
○ Apresentar todos as tabelas, gráficos e imagens solicitados ao longo do roteiro, assim como as respostas aos questionamentos levantados.
● Conclusão;
○ Retomar os resultados mais significativos encontrados.
○ Elencar que conclusões podem ser formuladas ou que novos conhecimentos puderam ser adquiridos a partir da realização do experimento.
○ Apresentar críticas construtivas, sugestões e comentários a respeito do experimento.
● Referências bibliográficas.
INSTRUÇÕES E AVISOS IMPORTANTES PARA A PRODUÇÃO DO RELATÓRIO
● Todas as equações a serem utilizadas ao longo das discussões devem estar expostas e numeradas na introdução teórica.
● Tirar suas próprias fotos de materiais e montagens para a seção de descrição experimental.
● Todas as figuras e tabelas devem estar numeradas e acompanhados de legendas. Todas elas devem estar referenciadas no texto do relatório.
● A seção de ‘Resultados e discussões’ deve ser dividida conforme o roteiro do experimento.
● Expor o raciocínio e cálculos realizados para chegar em cada resultado apresentado no laboratório.
● Evitar conclusões vagas/genéricas do tipo ‘O experimento concordou com a teoria.’. Se isso ocorreu, detalhe em quais casos houve melhor/pior acordo.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
1. Albert Malvino e David J. Bates. Eletrônica Volume 1, 7a Edição. McGraw-Hill Interamericana do Brasil Ltda, São Paulo, SP, 2008.
2. H. Moysés Nussenzveig, Curso de Física Básica 3 - Eletromagnetismo. 1a edição, Editora Edgard Blucher, São Paulo, SP, 1997.
3. Antonio M. V. Cipelli e Waldir J. Sandrini. Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos, 6ª Edição, Editora Érica, São Paulo, SP, 1982.
