4300213 - Física Experimental III (2014)

Em qualquer medida de grandezas num laboratório, elétricas (ou outras quaisquer) é necessário saber a precisão, a confiabilidade e o erro experimental da medida.

Para o caso de medidas de grandezas elétricas deve-se:

• Ter instrumentos de medida apropriados. 
• Conhecer os instrumentos: suas características e limitações. 
• Ter fontes de alimentação apropriadas.
• Projetar um circuito conveniente para o que deseja.

No caso de elementos de circuito, o comportamento é descrito pela curva característica do elemento, que é definida como sendo o gráfico da tensão V (ordenada) em função da corrente i (abscissa), sob determinadas condições ambientais.

LED (Light Emmiting Diode)

Para estudar o comportamento de elementos passivos de circuito é necessário uma fonte de tensão apropriada, de modo a prover uma corrente elétrica sobre o elemento estudado. No caso do diodo LED, vai ser usada uma fonte de corrente contínua. A figura 1 mostra um esquema básico de circuito elétrico que pode ser utilizado para medir a curva característica do LED.

Figura 1 - Esquema para medida da curva característica do LED

• Para evitar grandes correntes, que possam danificar o LED, é aconselhável o uso de um resistor de proteção no circuito, conforme mostrado na figura 1.
  • Se não conhece a resistência do elemento que vai medir, precisa garantir que a fonte não entre em curto circuito e pode fazer isso colocando uma resistência auxiliar no circuito.
• Utilize um voltímetro (V1) e um resistor conhecido (R1) para medir a corrente no circuito, medindo a tensão sobre este resistor. Isso evita o uso do amperímetro que é um instrumento delicado e pode ser avariado se a escala de corrente for ultrapassada.
• Estime os valores destas resistências de modo a não aplicar mais do que 3,6 V sobre o LED. 

As medidas e análise dos dados.

• Levante a curva característica do diodo LED. Meça um número de pontos suficiente para descrever bem a curva.
• Use uma fonte DC de 30V
• Controle a fonte de modo a não aplicar mais do que +3.6V no LED  (para não queimar o LED). Você pode fazer isto começando as medidas com baixas tensões na fonte e ir aumentando aos poucos, monitorando a tensão no LED
• Verifique o que ocorre com tensão em sentido contrário  (até ~ -1V)
• Faça o ajuste do modelo apropriado para o diodo e extraia os parâmetros relevantes (i₀ e e/k) conforme discutido em sala de aula. 
• Compare os valores obtidos com os obtidos pelos seus colegas.

Pilha recarregável

A medida de curvas características de elementos ativos de circuito, como geradores, deve atender às especificidades de cada um. A pilha é um gerador cuja força eletromotriz é fixa e com uma provável resistência interna. Para levantar a curva característica da pilha é necessário medir a sua tensão em função da corrente que ela fornece ao circuito. Para variar a corrente usamos um resistor variável (década de resistores ou um reostato, ou composições de resistores diversos). Usaremos também voltímetros para medida de tensão e corrente. Um circuito sugerido para isto é mostrado na figura 2.

Figura 2 - Circuito sugerido para medir a curva característica da pilha.

Recomenda-se fortemente começar as medidas com valores altos do resistor variável, de modo a não "gastar" a pilha logo de cara. Você irá utilizar, como pilha, uma bateria do tipo AA recarregável. Certifique-se com os monitores de pegar uma bateria que esteja com carga completa.

Medidas

• Meça a curva característica da pilha desde correntes baixas até correntes da ordem de 200 mA.
• Aplique o modelo físico para pilha aos seus dados (ajuste) e obtenha os parâmetros relevantes da pilha, neste caso, E e R, conforme mostrados na figura 2.
• Obtenha, deste ajuste, a corrente máxima possível de ser fornecida pela pilha. Qual o significado físico desta corrente?
• Calcule a potência fornecida pela pilha ao circuito, ponto a ponto, em função da corrente e faça o gráfico de P x i. Que equação descreve esta curva experimental? 
• Da curva de potência, aplique o modelo físico esperado para a pilha e obtenha E e R. Compare aos valores obtidos pelo outro ajuste.
• Da curva de potência e do ajuste efetuado, obtenha:
  • Qual a potência máxima fornecida pela pilha?
  • Qual a corrente máxima fornecida pela pilha? Comente as diferenças em relação ao resultado anterior, se houver.
  • Para qual valor de corrente a potência fornecida é máxima? Porque isto não ocorre na situação de maior corrente?
• Discuta as incertezas nos seus cálculos ao fazer as contas e extrapolações na sua análise.