4302213 - Física Experimental III (2017)

A proposta para esta semana é estudar o comportamento da resistividade elétrica em função da temperatura para um resistor metálico e um resistor de carvão (semicondutor).

Para realizar estas medidas nós usaremos um circuito como o da figura 1. Um resistor auxiliar (R1) será utilizado para medir a corrente enquanto mede-se a tensão no resistor metálico (ou de carvão) R2, que está em um banho térmico. Vamos realizar medidas em 4 temperaturas:

• Nitrogênio líquido
• Água + gelo
• Ambiente
• Água fervente

Figura 1 - circuito utilizado para medir resistência em função da temperatura.

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.

Prepare-se para o experimento

Pesquise, na internet, valores de resistividade do cobre comum e do carbono amorfo para as temperaturas que vamos medir durante o experimento. Faça um gráfico destes valores em função da temperatura, de modo a avaliar qual seria o comportamento esperado para os seus dados.

Realizando o experimento

No laboratório você terá à disposição vários equipamentos. Antes de iniciar a tomada de dados, verifique se os equipamentos estão funcionando corretamente. Para isto:

• Teste os dois multímetros, verificando se a bateria deles está carregada apropriadamente. Como sugestão, use-os como ohmímetro e meça a resistência de um resistor comercial de valor nominal conhecido. O valor medido deve ser estável e próximo ao valor nominal. Se não for, provavelmente o multímetro está apresentando algum problema.
• Antes de fazer qualquer medida envolvendo resistores, verifique se eles não estão queimados. Meça os valores das resistências com o ohmímetro. Nunca confie nos valores nominais impressos nos resistores.
• Verifique se os cabos não estão danificados, se os conectores parecem estar em ordem e se não há nenhum defeito mecânico aparente.

Monte o circuito da figura 1. Comece usando o resistor metálico. Nesse caso, a resistência auxiliar, R1, deve ser tal que R1 \(= 10 \, \Omega\). Regule uma tensão na fonte de aproximadamente 3 V. O procedimento é bem simples. Meça as tensões nos resistores R1 e R2, calcule a corrente elétrica no circuito e, com base nisto, obtenha o valor da resistência R2 em uma determinada temperatura. 

O banho térmico em R2 é feito mergulhando o resistor em um copo de isopor com o respectivo líquido. No caso da temperatura ambiente, basta deixar o resistor sobre a mesa. Comece fazendo a medida à temperatura ambiente. Use um termômetro para determinar o valor desta temperatura. Em seguida faça a medida em água fervente. Espere aproximadamente 1 minuto para que o resistor entre em equilíbrio térmico com o banho. Meça a temperatura do banho. Depois repita o procedimento com o banho de água com gelo e, em seguida, nitrogênio líquido. No caso do N2 líquido, NÃO MEÇA A TEMPERATURA porque os termômetros não possuem fundo de escala suficiente. Verifique a temperatura do N2 líquido na internet e use este valor.

Após terminar com o resistor metálico, repita o procedimento para o resistor de carvão. Neste caso deve-se substituir R1 para R1 \(= 10 \, k\Omega\) por conta da ordem de grandeza de R2.

Com base nos parâmetros geométricos dos resistores de carvão e metálico, conforme a tabela 1, calcule a resistividade para cada temperatura, faça os gráficos de resistividade em função da temperatura. Pesquise na internet modelos para esta resistividade e tente aplica-los aos dados. Discuta os resultados.