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RELATÓRIO No 6 ASSOCIAÇÕES DE CAPACITORES E CIRCUITO RC Curso: Engenharia de Produção Discentes: Alef Petruci, Fabiana Bistane, Felipe Augusto, Ingrid Nogami, Marco Convertino Disciplina: Laboratório de Física III Professor: Augusto Batagin Itapeva-SP 2016 1. OBJETIVO O objetivo deste experimento tem por base a determinação da constante de tempo em um circuito capacitivo, (tomando-se como referência o tempo de carga e descarga do mesmo), bem como a medida da resistência interna de um voltímetro e da capacitância de um circuito, através da constante de tempo. 2. INTRODUÇÃO 2.1 Capacitores Capacitores, também chamado de condensadores, é um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar cargas elétricas e consequente energia eletrostática, ou elétrica. Ele é constituído de duas peças condutoras que são chamadas de armaduras. Entre essas armaduras existe um material que é chamado de dielétrico. Dielétrico é uma substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica. A utilização dos dielétricos tem várias vantagens. A mais simples de todas elas é que com o dielétrico podemos colocar as placas do condutor muito próximas sem o risco de que eles entrem em contato. Qualquer substância que for submetida a uma intensidade muito alta de campo elétrico pode ser tornar condutor, por esse motivo é que o dielétrico é mais utilizado do que o ar como substância isolante, pois se o ar for submetido a um campo elétrico muito alto ele acaba por se tornar condutor. Os capacitores são utilizados nos mais variados tipos de circuitos elétricos, nas máquinas fotográficas armazenando cargas para o flash, por exemplo. Eles podem ter o formato cilíndrico ou plano, dependendo do circuito ao qual ele está sendo empregado. Dois condutores isolados, entre si e entre o ambiente, formam um capacitor. Quando um capacitor está carregado as cargas dos condutores, ou placas, como são chamados, tem o mesmo valor absoluto q de sinais opostos. Segue Figura 1: Figura 1 – Elementos Básicos de qualquer Capacitor: dois condutores isolados entre si Fonte: HALLIDAY, David, RESNIK Robert. Física 3 volume 3, 9ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. 105 p. Já na Figura 2 (abaixo), está sendo representado um capacitor de placas paralelas, um arranjo particular que consiste em duas placas paralelas condutoras de área A separadas por uma distância d. Figura 2 – Capacitor de Placas Paralelas Fonte: http://coral.ufsm.br/cograca/rot08.pdf Como as placas são feitas de material condutor, são superfícies equipotenciais: todos os pontos da placa de um capacitor estão no mesmo potencial elétrico. Além disso, existe uma diferença de potencial entre as duas placas. A carga q e a diferença de potencial V são proporcionais, pela seguinte fórmula: 𝑞 = 𝐶𝑉 No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de capacitância é o farad (F), no entanto essa é uma medida muito grande e que para fins práticos são utilizados valores expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) e picofarads (pF). A capacitância do material, ou seja, a medida da quantidade de carga que precisa ser acumulada nas placas para produzir uma certa diferença de potencial, depende da geometria das placas mas não depende da carga e da ddp. Quanto maior a capacitância, maior a carga necessária. A capacitância de um capacitor de placas paralelas, ao ser colocado um material dielétrico entre suas placas, pode ser determinado pela fórmula contida na Figura 2 acima, onde k é a constante que cada material possui, є0 é a permissividade do espaço, A é a área e d a distância das duas placas. 2.2 Associação de capacitores em série Podemos observar pela Figura 3 que uma associação em série de capacitores consiste em ligar os capacitores em sequência e uma diferença de potencial ser aplicada na extremidade do circuito. Como cada capacitor, quando carregado, provoca o carregamento do capacitor seguinte, é gerado uma reação em cadeia que explica o motivo de todos capacitores armazenarem a mesma carga. Já a ddp de cada capacitor são diferentes e realizando a soma de cada uma delas, o resultado será a voltagem da bateria. Assim, podemos substituir capacitores em série por um único capacitor equivalente que terá a mesma carga e a mesma diferença de potencial total do circuito. Figura 3 – Capacitores em série Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfCmcAG/capacitores Concluindo, para a associação em série de capacitores temos as seguintes fórmulas (considerando o conjunto da Figura 3): Como: 𝑞1 = 𝑞2 = 𝑞3 = 𝑞, 𝑞 = 𝑉. 𝐶𝑒𝑞 Onde q é a carga de cada capacitor, V é a tensão aplicada no circuito e Ceq é a capacitância equivalente. Então: 𝑉1 = 𝑞 𝐶1 ; 𝑉2 = 𝑞 𝐶2 ; 𝑉3 = 𝑞 𝐶3 Como o potencial total é a soma dos potenciais de cada capacitor, temos que: 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 = ( 𝑞 𝐶1 ) + ( 𝑞 𝐶2 ) + ( 𝑞 𝐶3 ) 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ( 1 𝐶1 ) + ( 1 𝐶2 ) + ( 1 𝐶3 ) (+ ⋯ + 1 𝐶𝑛 ) 2.3 Associação de resistores em paralelo Quando dizemos que os capacitores estão ligados em paralelo significa que uma das placas de um capacitor está ligada diretamente a uma das placas dos outros capacitores e a outra placa do capacitor é ligada diretamente a outra placa dos outros capacitores (Figura 4), de modo que exista a mesma diferença de potencial em cada capacitor, porém a carga total de cada um, nesse caso, é a soma das cargas de cada capacitor. Nesse circuito, podemos substituir todos os capacitores envolvidos por um capacitor equivalente com a mesma carga total (soma das cargas de cada capacitor) e a mesma ddp dos outros capacitores. Para obter a equação do capacitor equivalente, temos que: 𝑞1 = 𝐶1. 𝑉 ; 𝑞2 = 𝐶2. 𝑉 ; 𝑞3 = 𝐶3. 𝑉 𝑞𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑞1 + 𝑞2 + 𝑞3 = (𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3). 𝑉 Portanto: 𝐶𝑒𝑞 = 𝑞 𝑉 = 𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3(+ ⋯ + 𝐶𝑛) Figura 4 – Associação de Capacitores em Paralelo Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfCmcAG/capacitores 2.4 Circuito RC Considerando o circuito da Figura 5 abaixo, admitindo que o capacitor estivesse inicialmente descarregado. Quando a chave está aberta não há corrente no circuito. Se a chave for fechada no instante t=0, a carga principia a fluir, e se estabelece uma corrente no circuito, principiando o carregamento do capacitor. Figura 5 – Circuito RC com a chave em 1 (capacitor sendo carregado) Observe que durante esse processo de carregamento, as cargas não passam através do capacitor, pois o espaço entre as placas constitui uma interrupção do circuito. Ao contrário, há transferência de carga de uma placa para outra através do resistor, da chave e da bateria e uma diferença de potencial se forma entre as placas. Quando essa diferença de potencial é igual a tensão da fonte (que também é igual a força eletromotriz), a corrente no circuito é nula, ou seja, a corrente deixa de circular. Aplicando a regra das malhas de Kirchhoff (Anexo 1) ao circuito depois de a chave ter sido fechada. Temos que: 𝜀 − 𝑖. 𝑅 − 𝑄 𝑉 = 0 (Equação 1) Onde i.R é a queda de potencial no resistor e Q/V é a queda de potencial no capacitor. Observe que q e C são valores instantâneos da carga e da corrente, respectivamente, durante o processo de carga do capacitor. Podemos usar a equação que relaciona da capacitância que relaciona carga comddp (𝐶 = 𝑞 𝑉 ) para achar a corrente inicial no circuito e a carga máxima no capacitor. Em t=0, quando a chave é fechada, a carga no capacitor é zero, e, pela equação acima (Equação 1), vemos que a corrente inicial no circuito, 𝑖0, é um máximo e igual a: 𝑖 = 𝜀 𝑅 (corrente em t=0) (Equação 2) Nesse instante, a queda de potencial ocorre inteiramente no resistor. Depois, quando o capacitor estiver com a sua carga máxima Q, cessa o movimento de cargas, a corrente no circuito é nula, e a queda de potencial ocorre inteiramente no capacitor. A substituição de i=0 na Equação 1 nos dá a seguinte expressão de Q: 𝑄 = 𝐶. 𝜀 (carga máxima) (Equação 2) Agora, veremos a parte em que o capacitor é descarregado. Considerando agora o circuito da Figura 6, constituído por um capacitor, com uma carga inicial Q, um resistor e uma chave. Figura 6 – Circuito RC com a chave em 3 (capacitor sendo decarregado para Rv e R) Quando a chave está aberta, há uma diferença de potencial Q/V no capacitor e uma diferença de potencial nula no resistor, pois i= 0. Se a chave for fechada em t=0 , o capacitor principia a descarregar através do resistor (Figura 7). Figura 7 – Circuito RC com a chave em 2 (capacitor sendo descarregado somente para Rv) Num certo instante durante a descarga, a corrente no circuito é i e a carga no capacitor é Q. Pela segunda regra de Kirchhoff (Anexo 1), vemos que a queda de potencial no resistor, IR, deve ser igual à diferença de potencial no capacitor, Q/V : 𝑖. 𝑅 = 𝑄 𝑉 (Equação 3) Porém, a corrente no circuito é igual à taxa de diminuição da carga no capacitor: 𝑖 = − 𝑑𝑄 𝑑𝑡 Então: −𝑅 𝑑𝑄 𝑑𝑡 = 𝑄 𝐶 𝑑𝑄 𝑄 = − 1 𝑅𝐶 𝑑𝑡 Integrando essa expressão, com a condição inicial q=Q em t=0: ∫ 𝑑𝑞 𝑞 = − 1 𝑅𝐶 ∫ 𝑑𝑡 ln ( 𝑞 𝑄 ) = − 𝑡 𝑅𝐶 𝑞(𝑡) = 𝑄𝑒− 𝑡 𝑅𝐶 (Equação 4) A Figura 8 que mostra como é a relação Tempo x Carga para carga e descarga de um capacitor, notamos que com o passar do tempo a carga do capacitor aumenta e a carga diminui. Figura 8 – Gráficos Tempo x Carga/ Descarga Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAesigAK/relatorio-fisica-carga-descarga-capacitor ANEXO 1 A segunda Lei de Kirchhoff é a Lei das Malhas. É considerado malha qualquer caminho condutor fechado, e a lei diz que a soma algébrica das forças eletromotrizes (f.e.m) em qualquer malha é igual a soma algébrica das quedas de potencial ou dos produtos iR contidos na malha, ou seja: Onde є é a força eletromotriz e Ri é a queda de potencial. 3. MATERIAL E MÉTODO 3.1 Material 1 painel de conexões; 3 conectores com capacitores; 2 conectores com ponte elétrica (jumper); 6 cabos e conexões elétricas; 1 chave inversora; 2 multímetros (um deles com a função capacímetro); 1 conector com resistor; 1 cronômetro; 1 fonte de tensão; 3.2 Método Na primeira parte do experimento, foram montados os seguintes circuitos através do painel de conexão: Figura 9 – Circuitos montados na 1ª parte do experimento E assim, para cada associação foi realizada uma leitura da capacitância. Também foi calculada a capacitância teórica e ambas foram comparadas, calculando-se os erros percentuais. Na segunda parte, para obter a ddp durante o carregamento, foi usado o mesmo painel, porém com o seguinte circuito: Figura 10 – Circuito montado na 2ª parte do experimento Foi checado se o capacitor estava descarregado, através do multímetro na função voltímetro. Com a posição neutra da chave inversora, a fonte foi ligada e sua saída de tensão ajustada para 10 V. Assim, para medir a ddp, o voltímetro foi conectado entre os terminais do capacitor. Ao iniciar o carregamento do capacitor, foi acionado o cronômetro, onde foi possível acompanhar a cada 15 segundos, de 0 a 300 segundos, a ddp do circuito durante o carregamento. Com o capacitor ainda carregado, a chave foi invertida de modo que descarregasse o capacitor, acionando novamente o cronômetro e medindo a ddp de 15 em 15 segundos, de 315 ate 600 segundos. Para medir a dpp nos terminais do resistor durante o carregamento, o processo foi repetido, porém invertendo o capacitor e resistor de lugar, com o mesmo intervalo tempo de medição. O mesmo para o descarregamento, invertendo a chave e realizando a medições. 4.Resultados e Discussão Figura 11 - Circuito a ser confeccionado para o estudo da associação de capacitores em série. Figura 12 - Circuito a ser confeccionado para o estudo da associação de capacitores em paralelo. Figura 13 - Circuito a ser confeccionado para o estudo da associação de capacitores mista. Tabela 1. Dados obtidos das associações de capacitores. Para capacitores em paralelo, temos que: 𝐶𝑒𝑞 = 𝑞 𝑉 = 𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3(+ ⋯ + 𝐶𝑛) (1). Para capacitores associados em série, temos que: Teórico (F) Medida (F) Erro Percentual 01 (C1 e C2) 1,1 1,08 1,82% 02 (C1,C2 e C3) 0,73 0,73 0,00% 01 (C1 e C2) 4,4 4,39 0,23% 02 (C1,C2 e C3) 6,6 6,71 1,67% Mista - 1,46 1,49 2,05% Tipo de Associação Capacitância Equivalente Circuito Em série Em paralelo 𝐶𝑒𝑞 = ( 1 𝐶1 ) + ( 1 𝐶2 ) + ( 1 𝐶3 ) (+ ⋯ + 1 𝐶𝑛 ) (2). A partir dos dados apresentados na tabela 1, pode-se comparar os resultados das capacitâncias equivalentes teóricos e com os dados obtidos na prática. Foi realizado associações em série, paralela e mista para os capacitores. Analisando os dados, nota-se que a diferença existe, mas é muito pequena, sendo até nula em um caso. Isso pode ocorrer por falta de calibragem dos aparelhos – multímetro. Há também a possibilidade dos erros serem provenientes da parte da medição dos membros do grupo. Os resultados encontrados foram satisfatórios devido à baixa diferença percentual apresentada. Figura 14 - Montagem do circuito RC Tabela 2. Dados da análise da ddp obtida no capacitor do circuito RC. tempo (s) Vc car (V) tempo (s) Vc des (V) 0 0 315 6,00 15 0,54 330 5,66 30 1,04 345 5,33 45 1,54 360 5,05 60 1,94 375 4,76 75 2,4 390 4,51 90 2,73 405 4,26 105 3,45 420 4,03 120 3,50 435 3,81 135 3,82 450 3,59 150 4,14 465 3,39 165 4,41 480 3,21 180 4,68 495 3,04 195 4,54 510 2,88 210 5,12 525 2,72 225 5,40 540 2,57 240 5,61 555 2,43 255 5,82 570 2,30 270 6,01 585 2,17 285 6,13 600 2,06 300 6,35 CARREGAMENTO DESCARREGAMENTO Tabela 3. Dados da análise da ddp obtida no resistor do circuito RC. Quando a fonte é ligada, a diferença de potencial começa a aumentar, assim como a corrente, que começa a fluir e passa pelo resistor antes de chegar no capacitor, onde ocorrerá o acumulo de carga. Quando a chave é fechada no segundo 300, o capacitor que está carregado começa a descarregar e a corrente começa a fluir do capacitor para o resistor, por isso a marcação negativa no multímetro. A diferença de potencial começa a decair no capacitor enquanto aumenta no resistor. Como pode ser notado nos gráficos, esse decaimento da tensão é exponencial. Para o carregamento do capacitor no circuito RC, temos que: (3). Para o descarregamento do capacitor no circuito RC, temos que: (4). tempo (s) Vc car (V)tempo (s) Vc des (V) 0 10 315 6,31 15 9,46 330 5,97 30 8,92 345 5,63 45 8,43 360 5,32 60 7,97 375 5,04 75 7,52 390 4,76 90 7,11 405 4,49 105 6,72 420 4,25 120 6,36 435 4,02 135 6,02 450 3,8 150 5,70 465 3,59 165 5,40 480 3,4 180 5,12 495 3,21 195 4,85 510 3,03 210 4,60 525 2,87 225 4,36 540 2,72 240 4,15 555 2,57 255 3,93 570 2,43 270 3,74 585 2,3 285 3,55 600 2,17 300 3,37 CARREGAMENTO DESCARREGAMENTO 4.1 Gráficos obtidos com os resultados Gráfico 1 – VC (V) x Tempo (s) com os resultados obtidos pelo experimento No gráfico 1 pode-se analisar o comportamento do capacitor ao longo do experimento. Nos primeiros 300 segundos o capacitor está sendo carregado, ou seja, acumulando cargas. Na primeira parte nota-se o aumento da tensão do capacitor, já na segunda ocorre o declínio da mesma. A relação da tensão com o tempo é exponencial. Gráfico 2 Carregamento/descarregamento resistor 0 1 2 3 4 5 6 7 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 D D P (V ) TEMPO (S) Vcapacitor x t -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 15 45 75 105 135 165 195 225 255 285 315 345 375 405 435 465 495 525 555 585 D D P ( V ) TEMPO (S) Vresistor x t No gráfico do carregamento/descarregamento do resistor a tensão cai tanto no carregamento quanto no descarregamento, como esperado, de maneira exponencial também. No descarregamento a corrente passa pelo sentido contrário no circuito, o que produz os valores negativos. Gráfico 3 ln V x t Pelos valores do gráfico lnV x t temos que o coeficiente angular é de 0,0037, desse modo podemos calcular RC pela seguinte fórmula: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = −1 𝑅𝐶⁄ Assim calculamos que RC é igual a 270,21s. 5. Questões direcionadas para discussão 1- Qual a relação matemática entre os valores das capacitâncias individuais e as capacitâncias medidas: a) Nos circuitos em série R: Nos circuitos em série a capacitância equivalente é medida pela seguinte equação: 1 𝐶𝑒 = 1 𝐶1 + 1 𝐶2 b) Nos circuitos em paralelo R: Nos circuitos em paralelo a capacitância equivalente é a soma das capacitâncias individuais: 𝐶𝑒 = 𝐶1 + 𝐶2 2- Tal relação foi observada no experimento? Quais as possíveis fontes de erro? 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 lnV x t R: Sim, possíveis fontes de erro são a falta de precisão do equipamento, tal como o capacímetro estar desregulado, os capacitores podem estar carregados na hora da medição ou dano mecânico no capacitor, gerado ao longo dos anos de uso. 3- Explique o comportamento das tensões medidas durante o tempo a) No carregamento R: No carregamento do capacitor a corrente diminui, ou seja, a tensão no resistor diminui. b) No descarregamento R: O capacitor funciona como uma bateria e a corrente em fluxo oposto ao carregamento. O potencial do capacitor é máximo e chega a zero e no resistor começa no máximo negativo e chega a zero, pois o multímetro lê o sinal invertido. Ou seja, a tensão no resistor 4- A forma da curva de decaimento (ou carregamento) aferidas é guiada por uma função matemática bem conhecida. Você saberia dizer qual seria essa função? R: A curva de decaimento pode ser descrita pela função: −𝑒𝑥. 5- Completando a questão anterior, não é difícil mostrar que a função acima descrita é a solução de uma equação diferencial que descreve as quedas de tensões no circuito ao longo do tempo. Busque na literatura quais são essas equações diferencias e como elas são resolvidas. Apresente a resolução no relatório. R: A energia potencial armazenada em um capacitor carregado está associada ao campo elétrico que existe entre as placas. Suponha que, em um dado instante, uma carga q’ tenha sido transferida de uma placa de um capacitor para a outra. A diferença de potencial V’ entre as placas nesse instante é q’/C. Se uma carga adicional dq’ é transferida, o trabalho adicional necessário para a transferência é dado por 𝑑𝑊 = 𝑉′𝑑𝑞′ = 𝑞′ 𝐶 𝑑𝑞′ O trabalho necessário para carregar um capacitor com uma carga final q é dado por 𝑊 = ∫ 𝑑𝑊 = 1 𝐶 ∫ 𝑞′𝑑𝑞′ = 𝑞2 2𝐶 𝑞 0 Como esse trabalho é armazenado na forma de energia potencial U do capacitor, temos: 𝑈 = 𝑞2 2𝐶 Essa equação também pode ser escrita na forma 𝑈 = 1 2 𝐶𝑉2 6- O que nos diz a constante RC? a) No carregamento R: No carregamento a constante RC é determinada para a carga atingir 63% da carga inicial b) No descarregamento R: Já no descarregamento a constante RC é determinada para a carga atingir 37% da carga inicial 7- O que você espera que ocorra com as tensões no resistor e no capacitor se o circuito ficar ligado à fonte por um longo período de tempo? R: Se o circuito ficar ligado à fonte por um longo período de tempo o capacitor carrega completamente, assim a tensão na fonte se iguala a tensão do capacitor e a tensão no resistor é igual a zero. 8- Qual deve ser o valor da soma das voltagens no capacitor e no resistor durante o processo de carga? R: A soma das voltagens na fonte seria a soma das voltagens no capacitor e no resistor 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 + 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 9- Estime o valor de R R: O valor de r deve ser encontrado a partir do gráfico da constante RC, analisando-a temos uma reta com coeficiente angular igual a -1/RC, a partir, então podemos descobrir o valor de r. 6. Conclusão A partir dos obtidos no experimento e os dados da literatura, foi possível concluir que, para a associação de capacitores, temos que o inverso da capacitância equivalente do circuito em série é igual à soma dos inversos das capacitâncias dos capacitores. Para o circuito em paralelo, temos que a capacitância equivalente é dada pelo somatório das capacitâncias de cada capacitor. Para o circuito RC, a partir dos dados obtidos, foi possível traçar os gráficos para o carregamento e o descarregamento do capacitor e do resistor, com isso, concluiu-se que as curvas crescem e decrescem em funções exponenciais. Além disso, foi determinado a constante de tempo (RxC) do circuito, para a carga atingir 63% da carga inicial no caso do carregamento e 37% no caso do descarregamento. Com isso, o experimento atingiu o objetivo de analisar na prática os diferentes tipos de associação de capacitores. 7. BIBLIOGRAFIA SANTOS, Marco Aurélio Da Silva. "Capacitores"; Brasil Escola. Disponível em <http://brasilescola.uol.com.br/fisica/capacitores.htm>. Acesso em 23 de outubro de 2016. NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de Física Básica 3. 1. ed. São Paulo: Blücher,1997. http://www.fotoacustica.fis.ufba.br/daniele/FIS3/roteiro%205%20Circuito%20RC .pdf Acesso em 30 de outubro de 2016.