Física Experimental IV (2016)

Neste experimento iremos estudar alguns elementos simples de circuitos elétricos a partir de suas curvas características e iremos utilizar estas curvas para resolver um circuito elétrico proposto em sala. Os materiais disponíveis para este experimento são:

• fonte de corrente contínua
• pilhas recarregáveis
• diodos LED
• resistores diversos
• chaves 
• fios, multímetros, etc.

Em muitos momentos será necessário desenhar e simular circuitos elétricos simples. Uma boa ferramenta para isto é o site CIRCUITLAB. Dêem uma olhada e pratiquem um pouco o uso desta ferramenta.

Objetivos do experimento

Este experimento tem como objetivos:

1. Estudar diversos elementos de circuito de forma a prever o funcionamento de um circuito mais complexo.
2. Estudar as diferenças entre condutores e semicondutores através da dependência da resistividade de materiais em função da temperatura.

O experimento

Veja o circuito da figura 1. Neste circuito temos resistores comerciais, LEDs e uma pilha recarregável. Quais os conhecimentos necessários para resolver este circuito elétrico e prever as condições de operação dele? Isto é, quais são as correntes que fluem em cada um dos seus componentes e quais as diferenças de potenciais entre os terminais de cada um destes componentes? Os dois LEDs acendem? O que precisamos descobrir de modo a responder estas perguntas? Poderíamos simplesmente montar o circuito abaixo e medir as correntes e tensões elétricas. Mas como podemos garantir que este circuito realmente funciona nestas condições? Será que os LED's não iriam queimar com este circuito?

Figura 1 - Circuito proposto para ser resolvido durante o experimento.

Nosso experimento será dividido em quatro blocos, cada um planejado para uma semana de atividades.. O objetivo final é prever o funcionamento do circuito da figura 1, isto é, saber calcular as tensões e correntes elétricas em cada ponto do circuito e saber prever se os LEDs acendem ou não. Depois disto, iremos montar o circuito, fazer as medidas necessárias e compará-las às nossas previsões.  

Para poder planejar e montar o circuito precisamos entender os seguintes aspectos:

1. Como funciona um resistor comercial comum?
2. Como funciona uma pilha recarregável comum? 
3. Como funciona um LED? Quando ele é ligado a uma bateria, qual a energia que ele consome e como isto é convertido em luz?
4. Conhecendo-se os elementos acima, sou capaz de resolver o circuito proposto? 

Um outro objetivo deste experimento é tentar entender as diferenças entre materiais condutores e semicondutores. A diferença básica entre estes dois elementos é como a resistividade do material varia com a temperatura. Um condutor tem uma resistividade que diminui com a diminuição da temperatura. No semicondutor ocorre o inverso: na medida em que a temperatura diminui a resistividade aumenta.

Supondo um resistor cilíndrico cuja geometria é bem conhecida (ou fornecida ou medida diretamente), isto é, sabemos o comprimento do resistor \( L \) e a área da sua seção transversal \( A \), podemos determinar a resistividade \( \rho \) a partir da resistência elétrica \( R \) através de:

\(R = \rho \frac{L}{A} \)

É possível medir a resistividade de um material construindo-se um resistor de geometria bem definida e, medindo-se a resistência deste resistor, podemos obter a resistividade do material que o compõe. Se medimos isto em várias temperaturas, de forma controlada, podemos estudar algumas de suas propriedades. 

Proposta de encaminhamento

Este experimento tem 4 semanas. Sugerimos que as atividades sejam realizadas na seguinte ordem:

• Semana 1 - Medida da curva característica de um resistor ôhmico e do LED
• Semana 2 - Medida da curva característica de uma pilha comum
• Semana 3 - Estudo da resistividade de condutores e semicondutores com a temperatura
• Semana 4 - Montagem do circuito da figura 1, medidas diversas e comparações com previsões