Física Experimental III – aula 4 http://www.dfn.if.usp.br/~suaide/ Alexandre Suaide Ed. Oscar Sala sala 246 ramal 7072

Curvas características (3 aulas) Objetivos Estudar elementos resistivos diversos Lâmpada de lanterna diodo Pilha Obter curvas características destes elementos Estudar a dependência das propriedades elétricas com outras variáveis Aplicações de curvas características

Curvas características O que é? É um gráfico, característico de cada elemento, que estabelece qual a corrente que flui pelo elemento como função da tensão aplicada Em geral, gráfico de V x i para Físicos Técnicos, engenheiros preferem i x V

Qual é a utilidade de curvas características Caracteriza o elemento Previsões fáceis de corrente sobre o elemento Prever situações críticas Variações bruscas de corrente para pequenas variações de tensão Resolução gráfica de circuitos

Objetivos da experiência Medir a curva característica de alguns elementos resistivos Estudar como estas curvas dependem de outros parâmetros físicos, como temperatura, por exemplo Aula de hoje Estudar a curva característica de uma lâmpada de lanterna Entender como a potência é dissipada pela lâmpada

Lâmpada de tungstênio Elemento resistivo de tungstênio dentro de um bulbo com gás inerte Aumentar a vida útil do filamento Potência transferida para o filamento P = V i Como esta potência é utilizada Aquecimento do filamento

Lâmpada de tungstênio Como o calor, devido ao aumento de temperatura do filamento é transferido para o meio? E como o meio, que também se encontra a uma certa temperatura, transmite calor para a lâmpada? Três métodos Condução térmica Convecção irradiação

Troca de calor com o meio Condução térmica O calor é trocado por contato direto entre dois corpos Convecção Troca de calor através do movimento do fluído aquecido Irradiação Emissão de radiação eletromagnética Qualquer corpo aquecido emite e absorve radiação

Troca de calor em uma lâmpada comum Lâmpada composta de um filamento aquecido isolada por um gás inerte com baixa pressão A baixa pressão e o tipo de gás minimizam as trocas de calor por condução e convecção Principal mecanismo de troca de calor é a irradiação

Emissão e absorção de radiação por um corpo aquecido Lei de Stefan-Boltzmann para radiação de um corpo negro sB é a constante de Stefan-Boltzmann S é a área do objeto T é a temperatura e é um valor adimensional que determina a eficiência de emissão ou absorção da radiação e = 0, o corpo não absorve ou emite  espelho perfeito e = 1, o corpo absorve toda a radiação, ou toda potência é emitida em forma de radiação  corpo negro perfeito

Balanço energético Um corpo a temperatura T inserido em um meio a temperatura T0 Emissão de radiação, Absorção de radiação do meio Potência líquida absorvida/emitida A eficiência de absorção pode ser diferente da eficiência de emissão de radiação, dai o fato de possuir duas constantes, e e m

Lâmpada de tungstênio O Tungstênio é um material cuja resistividade depende da temperatura Mudanças de temperatura alteram a resistência da lâmpada Como Alterando a tensão/corrente no circuito, alteramos a temperatura da lâmpada Logo, a lâmpada não deve se comportar como um elemento Ohmicos SE HOUVER MUDANÇA DE TEMPERATURA

Dependência da resistência com a temperatura do filamento Fórmula empírica, obtida a partir de dados experimentais R = resistência do filamento na temperatura T R0 = resistência do filamento na temperatura T0 T0 = temperatura ambiente

Objetivos Estudar a curva característica de uma lâmpada comum de lanterna Verificar se a potência transmitida para a lâmpada é dissipada em forma de calor, através de irradiação eletromagnética Problema: como medir a temperatura do filamento?

Medindo curvas características Deve-se medir tensão e corrente sobre o elemento. Como? Circuito ao lado A corrente é medida com o auxílio de um resistor ohmico conhecido (R). Pode-se calcular a corrente como sendo i = VR/R A fonte de tensão será externa pois o DS só permite aplicar 5 V e a lâmpada aceita até 30 V

Primeiro passo: Estudar as incertezas associadas Analisar as incertezas associadas às medidas de corrente e tensão Repetir o procedimento utilizado para o diodo Observar como a tensão e corrente variam no tempo e, a partir desta variação parametrizar as incertezas Medir 5 pontos ao longo da faixa de tensões aceitáveis pela lâmpada

Segundo passo: Medir a resistência da lâmpada a temperatura ambiente Levantar a curva característica da lâmpada porém, sem alterar a sua temperatura. Como: limitando a corrente Utilizar um resistor de 10 kW para limitar a potência transferida para lâmpada Lâmpada é Ohmica para baixas correntes pois não esquenta Pelo menos 10 pontos em toda a faixa de tensão da fonte

Terceiro passo: Levantar a curva característica da lâmpada em condições normais Trocar o resistor de 10 kW por um resistor baixo, de aproximadamente 1-10 W Medir a curva característica com pelo menos 20 pontos

Análise de dados A partir da curva característica da lâmpada com baixa potência, determinar R0 A partir da curva característica da lâmpada em condições normais, obter R para cada ponto medido A partir da fórmula empírica que relaciona temperatura com resistência, obter a temperatura do filamento para cada ponto medido Estudar como a potência transmitida para a lâmpada se relaciona com a temperatura do filamento Verificar a lei de Stefan-Boltzmann