UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA – UEPG

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

DISCIPLINA DE FÍSICA EXPERIMENTAL 2

JORGE MEREGE JUNIORJULIANO INGENCHKI

LEANDRO BITTENCOURTWILLIAM FELIPE WOLF

ESPELHOS ESFÉRICOS

PONTA GROSSA09/2010

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA – UEPG

ESPELHOS ESFÉRICOS

O presente relatório destina-se a avaliação parcial da Disciplina de Física Experimental 2 ministrada no curso de Engenharia de Materiais, da Universidade Estadual de Ponta Grossa-(UEPG)-Campus Uvaranas

Profº: Sérgio da Costa Saab

Ponta Grossa, PR.09/2010

INTRODUÇÃO

Geradores são dispositivos destinados a manter uma diferença de potencial entre os dois pontos aos quais estão ligados, têm como função básica aumentar a energia potencial das cargas que os atravessam. Os geradores elétricos aparecem diariamente nas mais diferentes formas, como pilhas domésticas, baterias de automóveis e também no interior das grandes usinas geradoras de eletricidade.

Sabemos que um gerador possui dois pólos, um positivo e outro negativo, ou seja, um pólo de maior e outro de menor potencial elétrico. Quando ligamos os terminais de um circuito nos pólos do gerador, teremos um movimento ordenado de cargas elétricas, isto é, a corrente elétrica. O gerador tem como função levar as cargas elétricas negativas para o pólo negativo da bateria, ou seja, um lugar em que essas cargas nunca chegariam naturalmente. Feito isto, elas irão fluir por meio do circuito na direção dos potenciais mais elevados.

Gerador é um aparelho no qual a energia química, mecânica, solar, ou de outra natureza qualquer é transformada em energia elétrica. A função de um gerador em um circuito é aumentar a energia potencial da carga Q, à custa da sua energia química ou mecânica, realizando um trabalho sobre ela

A força eletromotriz do gerador (fem) é dada pelo quociente entre o trabalho realizado para transportar uma carga Q de um pólo a outro de um gerador. A fem é representada pela letra E, a unidade da fem no SI, é o volt.

A chamada fem de um gerador, na verdade, não é uma força, e sim uma diferença de potencial que o gerador poderia fornecer se não houvesse perdas dentro do próprio gerador. Como essas perdas são inevitáveis, pois o gerador também oferece uma resistência à passagem da corrente, a diferença de potencial fornecida é sempre menor do que aquela originária do trabalho do gerador , por causa disso, representáramos um gerador sempre acompanhado de um pequeno resistor.Sendo que a função básica de um gerador elétrico é abastecer um circuito, temos que analisar o gerador ideal e o real.

Gerador ideal : quando a corrente elétrica passa por ele e sem sofrer perda

Gerador real: quando a corrente elétrica passa por ele e sofre uma perda devido a uma resistência r.

Equação para um gerador real, devido à resistência interna a perda de energia se dará por:i.r, assim temos que:

U = E – i.r , o gerador real, fica caracterizado por dois parâmetros: a f.e.m. e a resistência interna r.

Esse gráfico é uma reta, pois a equação característica do gerador, que estabelece a relação entre a diferença de potencial e a corrente elétrica, é a do primeiro grau. E ela nos fornecerá uma função decrescente, pois temos o termo "-r.i".

Observações a)Se a resistência interna do gerador é nula (r = 0), o gerador é chamado de gerador ideal, pois não dissipa energia. Nesse caso (que não ocorre na prática), a ddp entre seus terminais é igual à sua força eletromotriz:

r = 0 U = E

b) Se i = 0, também teremos U = E. Nesse caso, dizemos que o gerador está em circuito aberto.

Balanço Energético – Nem toda a energia elétrica que o gerador desenvolve é entregue ao circuito externo, pois uma parte é “consumida” no circuito interno, sendo dissipada sob forma de calor.

A associação de geradores serve para encontrarmos uma certa d.d.p. (diferença de potencial – tensão), para um circuito, que não pode ser fornecida por apenas um gerador. Então, pode-se associar os geradores em série e em paralelo. Associação em SérieA associação de geradores em série e muito comum em aparelhos eletrônicos atuais, especialmente nos “controles remotos”. Se você notar, verá que as pilhas são colocadas em posições contrárias, deixando que o pólo positivo de uma pilha se ligue ao pólo negativo da outra pilha. Com isso, a DDP fornecida pelas pilhas será maior. Nesse tipo de associação, a corrente elétrica que passa em todos os geradores é a mesma. Assim, i = i1 = i2 = i3 … . O gerador equivalente terá força eletromotriz igual à soma das forças eletromotriz dos geradores: Eeq = E1 + E2 + E3 … . A resistência interna do gerador equivalente é calculada como se fosse uma associação de resistores em série: req = r1 + r2 + r3 … . Logo, a tensão (ddp) equivalente dos geradores será dada pela fórmula:Veq = Eeq – req . i

Associação em ParaleloNa associação em paralelo, é fundamental que todos os geradores tenham força eletromotriz IGUAIS, caso contrário, os geradores de menor f.e.m. se comportariam receptores, o que não é o que queremos. Assim, Eeq = E1 + E2 + E3 … . Como na associação de resistores em paralelo, a corrente equivalente será igual à soma das correntes que passam pelos geradores: ieq = i1 + i2 + i3 … . Quanto às resistências internas, utilizamos a fórmula 1/req = 1/r1 + 1/r2 + 1/r3 … . Com base nas equações dadas acima, é possível construir a equação da d.d.p do gerador equivalente:Veq = Eeq – req . i

EXPERIMENTO

MATERIAL

- Gerador (caixa que contém pilha e um resistor em série, este simulando aresistência interna);

- Década de resistores

- Voltímetro

- Amperímetro

PROCEDIMENTO

1- Montar o circuito a seguir:

2- Variar o valor de R (de 1000até 30) e anote os valores de V e Icorrespondentes, construindo uma tabela que contenha em torno de 12pontos (não mudar fundo de escala durante as medições).

3- Construir o gráfico VxI e determine a resistência interna do gerador;4- Montar uma tabela da potência dissipada em R, PR = VI, com R e faça umgráfico de PR X R (veja figura 4). Determine ri.

5- Comparar o resultado do item 3 com o do item 4.

RESULTADOS* Primeiramente foi montado o circuito a seguir, para determinar a resistência interna de um gerador:

*Variando os valores da resistência no circuito , foram obtidos valores diferentes de voltagem e corrente elétrica:R (Ω) Valores de R

Conferidos/medidos(Ω)Voltagem (V) Corrente(mA)

22 22 0,5 22,647 47 0,91 19,2150 149,3 1,76 11,8120 127,6 1,64 12,9100 100 1,45 14,4270 270 2,2 7,9470 480 2,51 5,21K 991 2,77 2,82K 2,02K 2,94 1,43k 3,26K 3,00 0,9

Apos valores obtidos de voltagem e corrente, montou-se um gráfico de Voltagem x corrente e obteve- se:

A partir desses dados e do gráfico foi calculada a resistência interna do gerador, a fórmula utilizada foi V = ε - ri . I (onde V = R.I), e pela analogia à equação reduzida da reta , y = a + bx, deduzimos que ri =b, ou seja, a resistência interna é igual ao coeficiente angular.sendo assim:

b = tgѳ = = 132,74então:ri = 132,74 Ω

*Tabela da potência dissipada em R e posteriormente um gráfico de PR X R R (Ω) Potência (W) x 10-3

22 11,347 17,47150 20,77120 21,16100 20,88270 17,38470 13,05

1k 7,762K 4,123k 2,7

A partir dos dados e do gráfico, obteve-se a resistência interna do gerador onde podemos concluir que ri = R no ponto onde a derivada dP/dR = 0.sendo assim:R = ri = 120

Efeito JouleQuando a corrente elétrica percorre um condutor como, por exemplo, um metal, faz com que esse se aqueça, transformando, dessa forma, a energia elétrica em energia térmica. Esse fenômeno de conversão de energia nos condutores, energia elétrica em térmica, foi estudado e descoberto no século XIX pelo cientista e físico britânico James P. Joule. É em homenagem a ele que esse efeito tem o seu nome, efeito joule.

O efeito joule ocorre em decorrência dos inúmeros choques que ocorrem entre os elétrons que formam a corrente elétrica e os átomos ou moléculas que fazem parte da composição do material condutor. Com os choques os elétrons adquirem energia cinética e parte dela é transferida para os átomos do condutor, fazendo com que esses se agitem mais com esse acréscimo de energia. O aumento no grau de agitação das partículas ocorre em conseqüência do aumento da temperatura, e é através desse aumento de temperatura que aparece a incandescência, que nada mais é que a luz emitida em virtude do aquecimento.

Esse fenômeno tem larga utilização no cotidiano como, por exemplo, em equipamentos de aquecimento como o ferro elétrico, o chuveiro elétrico, a prancha alisadora, o forno elétrico, etc. todos esses equipamentos são compostos, basicamente, por uma resistência que quando percorrida pela

corrente elétrica é aquecida, transformando energia elétrica em térmica, ou seja, calor. Outra aplicação prática do efeito joule no cotidiano está nas lâmpadas incandescentes. Criada no século XIX pelo inventor Thomas Edison, ela possui em seu interior um filamento de tungstênio, um metal com ponto de ebulição muito elevado, que ao ser percorrido pela corrente elétrica se aquece, podendo chegar a temperaturas de 2500 °C, tornado-se incandescentes e emitindo luz.

Na construção de fusíveis o efeito joule também é aplicado. Fusíveis são dispositivos constituídos por um filamento metálico de baixo ponto de fusão. Dessa forma, quando a corrente elétrica que passa pelo fusível ultrapassa um determinado valor, o calor que é originado pelo efeito joule provoca a fusão do filamento, interrompendo a corrente elétrica. Eles são utilizados como limitadores de corrente elétrica que passa em um circuito elétrico. São encontrados em veículos automotivos, residências, aparelhos elétricos, etc.A expressão matemática que traduz este efeito é E = R x I2 x T

http://www.eletronicadigital.com/site/projetos-eletronica-digital/5-lampada-serie.html?start=2

Através do efeito joule uma lâmpada emite luz.

EXPERIMENTO

MATERIAL- Fonte de alimentação

- Calorímetro- Termômetro- Resistor (entre 2,2 - ~7,0 ) de chuveiro elétrico.- Suporte, cabos e jacarés.

PROCEDIMENTO

1- Montar o esquema da figura 1: (Coloque o amperímetro na escala de 20A)

2- Medir o valor da resistência elétrica.

3- Medir a massa do recipiente de alumínio do calorímetro.

4- Colocar 100mL de água no recipiente de alumínio (determine o valor damassa).

5- Medir o valor da temperatura da água no calorímetro e logo após ligue afonte DC em 10V.

6- Após 10 minutos desligar a fonte e ler o valor da temperatura, após aestabilização.

7- Repetir os itens 4 ao 6 por três vezes.

8- Determinar o valor de J com seu erro e comparar com o valor teórico.

9- Por que o resistor quando aquecido pode transmitir calor para o líquido?Qual é a principal condição para que haja transferência de calor? Comocalcula a energia dissipada no resistor?

*Primeiramente foi montado o esquema a seguir:

* Os valores obtidos a partir da primeira medição foram:resistência : 2,4Ω massa do recipiente de alumínio : 20,7gcalor específico do Al : 0,22 cal/gºCmassa de água : 173,5gcalor específico da água : 1 cal/gºCtemperatura inicial : 19,1 ºCapós 5 minutos e estabilização, com a fonte ligada em 10 V a temperatura obtida foi de : 33,8 ºCvoltagem final na fonte: 9,79 VPara calculo do J (equivalente elétrico do calor), usou-se a formula:

J =

J = J = 4,577 J/calCálculo do erro :

ε = x 100

ε = 9,34 %

* Os valores obtidos a partir da segunda medição foram:resistência : 2,4Ω massa do recipiente de alumínio : 20,7gcalor específico do Al : 0,22 cal/gºC

massa de água : 129,1gcalor específico da água : 1 cal/gºCtemperatura inicial : 19,6 ºCapós 5 minutos e estabilização, com a fonte ligada em 10 V a temperatura obtida foi de : 39,8 ºCvoltagem final na fonte: 9,73 VPara calculo do J (equivalente elétrico do calor), usou-se a formula:

J =

J = J = 4,383 J/calCálculo do erro :

ε = x 100

ε = 4,70 %

* Os valores obtidos a partir da terceira medição foram:resistência : 2,4Ω massa do recipiente de alumínio : 20,7gcalor específico do Al : 0,22 cal/gºCmassa de água : 138,7gcalor específico da água : 1 cal/gºCtemperatura inicial : 19,3 ºCapós 5 minutos e estabilização, com a fonte ligada em 10 V a temperatura obtida foi de : 36,6 ºCvoltagem final na fonte: 9,7 VPara calculo do J (equivalente elétrico do calor), usou-se a formula:

J =

J = J = 4,745 J/calCálculo do erro :

ε = x 100

ε = 13,35 %

* Por que o resistor quando aquecido pode transmitir calor para o líquido?Quando a energia elétrica passa pelo resistor, ela sofre uma

transformação, de energia elétrica para energia térmica, essa transformação é chamada de efeito Joule; como o metal aquece (resistor), ele transmite calor por condução para o líquido.

*Qual é a principal condição para que haja transferência de calor? Nessa condição, é necessário que os dois corpos estejam em contato,

pois a transferência de calor se da por condução.

*Como calcula a energia dissipada no resistor?

E =

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.colegioweb.com.br/fisica/estudo-dos-geradores1< acessado em 10 de setembro de 2010>

http://www.infoescola.com/fisica/associacao-de-geradores/< acessado em 10 de setembro de 2010>

http://www.efeitojoule.com/<acessado em 10 de setembro de 2010>

- Sears, Zemansky e Young - Física 4 – 2ª edição.

- Francisco Catelli - Física Experimental 4 – Cadernos da Universidade deCaxias do Sul –.