Projeto Experimental III - Eletricidade e Informática Básica com Multisim e LPI

PROJETO EXPERIMENTAL III UTA III 2 PROJETO EXPERIMENTAL PE UTA III FASE DISCIPLINAS I Eletricidade I Informática Básica Projeto Experimental III Fase I 1 IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO 11 COORDENADORA DO CURSO ELAINE CRISTINA HOBMEIR ATIVIDADE PROPOSTA Após a leitura das rotas e de vocês assistirem as videoaulas poderão realizar a atividade aqui proposta Nessa atividade utilizaremos os conhecimentos adquiridos nas disciplinas de Eletricidade I e Informática Básica Também utilizaremos o Laboratório Portátil Individual LPI que vocês receberam e simulações no Multisim Online Você deve elaborar o projeto utilizando o modelo de relatório disponível em material complementar Abaixo há algumas instruções sobre o simulador e os equipamentos do LPI que serão utilizados nas atividades Há vídeos na disciplina com instruções de como utilizar os equipamentos Também faremos uma aula interativa para tirar dúvidas e manusear os equipamentos OBS Os danos que os dispositivos e componentes possam vir a sofrer por falta de leitura dos documentos aqui indicados e cumprimento das recomendações contidas nos mesmos são de total responsabilidade do aluno SIMULAÇÕES Para a realização dos experimentos será utilizado o simulador online de circuitos Multisim Online cujo acesso deverá ocorrer através do site wwwmultisimcom Com intuito de aprendizagem recomendo que acessem ao site httpswwwtinkercadcom e utilizem o Thinkercad para simular os circuitos utilizando uma protoboard e entender o funcionamento dela 3 Caso já tenha familiaridade com algum simulador de circuitos ou prefira é permitido utilizar qualquer outro USO DO ALICATE Assista ao vídeo da Aula 3 Conhecendo o Alicate da disciplina de Projeto Experimental para instruções de como utilizar o equipamento Para medir TENSÃO elétrica em um circuito o alicate deve ser sempre conectado em PARALELO com o circuito ou componente Nunca tente medir tensão em série com o circuito correndo o risco de queimar o equipamento Mais informações no vídeo da Aula 3 Utilizando o alicate para medir tensão Já para as medições de resistência assista o vídeo da Aula 3 Utilizando o alicate para medir resistência MONTAGEM EM PROTOBOARD A configuração de ligações de um protoboard é mostrada abaixo O protoboard é organizado em linhas numeradas e colunas identificadas por letras Nas bordas do protoboard estão as colunas com conexões de distribuição de alimentação sendo a tensão positiva VCC identificada pela cor vermelha e pelo símbolo e a referência do circuito GND identificada pela cor azul e pelo símbolo conforme a figura abaixo Assista o vídeo da Aula 3 Como funciona a protoboard para mais instruções USO DA FONTE DE TENSÃO Assista o vídeo da Aula 3 Como utilizar a fonte de tensão antes de realizar os experimentos 4 ETAPAS DO PROJETO EXPERIMENTAL 1ª etapa Na primeira etapa do projeto faremos um experimento com associação de resistores Primeiramente você deve calcular e encontrar o resistor equivalente entre os pontos A e B para o circuito abaixo Figura 1 O valor do resistor utilizado dependerá do número do seu RU sendo R1 1º dígito de seu RU 1000 R2 2º dígito de seu RU 500 R3 3º dígito de seu RU 200 R4 4º dígito de seu RU 300 Obs no caso de RU com número zero substituir 0 pelo número 9 Por exemplo considere o RU 1345678 dessa forma teremos R1 1 1000 1000 Ω R2 3 500 1500 Ω ou 15 kΩ R3 4 200 800 Ω R4 5 300 1500 Ω ou 15 kΩ Caso os valores encontrados não sejam de resistores comerciais de seu LPI será necessário escolher um resistor com valor mais próximo ao calculado sendo possível associar 2 ou mais resistores para obter um valor próximo Neste exemplo para o resistor R3 de 800 Ω podemos utilizar o resistor de 1 kΩ ou associar dois resistores ficando 560 Ω 240 Ω 800 Ω Para o cálculo da resistência equivalente utilize os valores comerciais de resistores que você possui no LPI Lembre de apresentar os cálculos 5 Após monte o circuito da Figura 1 na protoboard Um exemplo de como o circuito pode ser montado na protoboard é mostrado na Figura 2 Apresente fotos da montagem do circuito Figura 2 Meça os valores de cada um dos resistores ou combinação antes de fazer as conexões do circuito e preencha a tabela abaixo Também meça o valor da resistência equivalente entre os pontos A e B Valor especificado Valor usando resistores do LPI Valor medido com o alicate R1 1º dig 100 R2 2º dig 1000 R3 3º dig 200 R4 4º dig 1000 Req Exemplo de preenchimento das 2 primeiras colunas da tabela com o RU 1345678 Valor especificado Valor usando resistores do LPI Valor medido com o alicate R1 1º dig 100 1000 Ω 1000 Ω R2 2º dig 1000 1500 Ω ou 15 kΩ 1500 Ω R3 3º dig 200 800 Ω 560 Ω 240 Ω 800 Ω R4 4º dig 1000 1500 Ω ou 15 kΩ 1500 Ω Req 1387097 Ω B 6 Analise os valores calculados e medidos e responda as perguntas abaixo Os valores especificados dos resistores são os mesmos medidos com o alicate Se não por quê O valor calculado e medido de resistência equivalente é igual Há alguma diferença Se sim por quê 2ª etapa Na segunda etapa do projeto iremos utilizar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff Você irá analisar o circuito da Figura 3 Os valores de resistores são os mesmos utilizados na Etapa 1 com os valores dos resistores do LPI Figura 3 Para esse circuito você irá calcular a tensão corrente e potência em cada um dos resistores Também irá calcular qual é a corrente e a potência da fonte de tensão A tensão da fonte será calculada para 2 casos 5 V e 12 V Preencha a tabela abaixo com os valores calculados Após os cálculos utilize o simulador Multisim Online e monte o circuito da Figura 3 Utilize as ponteiras do simulador para medir tensão e corrente em cada componente O Multisim não consegue medir potência dessa forma basta aplicar a equação 𝑃𝑉𝐼 nos valores obtidos Apresente imagens do circuito simulado com os valores de tensão e corrente em cada elemento Complete a tabela abaixo para cada um dos casos quando a tensão da fonte for 5 V e quando for 12 V 7 Fonte de tensão 5 V Tensão V Corrente mA Potência mW Calculada Simulada Calculada Simulada Calculada Simulada Fonte 5 R1 R2 R3 R4 Fonte de tensão 12 V Tensão V Corrente mA Potência mW Calculada Simulada Calculada Simulada Calculada Simulada Fonte 12 R1 R2 R3 R4 Analise os valores calculados e simulados e responda as perguntas abaixo Os valores calculados e simulados são iguais Justifique Qual é a potência gerada no circuito E qual é a potência consumida Qual é o balanço de potências do circuito Justifique Exemplo para tensão da fonte 5 V e RU 1345678 Tensão V Corrente mA Potência mW Calculada Simulada Calculada Simulada Calculada Simulada Fonte 5 5 36046 36047 180232 180232 R1 36046 36047 36046 36047 129935 129935 R2 13953 13953 09302 09302 1298 1298 R3 13953 13953 17442 17442 24337 24337 R4 13953 13953 09302 09302 1298 1298 8 Circuito simulado no Multisim 3ª etapa Na terceira etapa do projeto o circuito simulado será montado na protoboard Lembre de assistir os vídeos de como utilizar a fonte de tensão a protoboard e o alicate Com o auxílio do alicate você medirá a tensão em cada um dos componentes Você montará a mesma tabela da Etapa 2 porém agora comparando os valores simulados com os valores medidos no experimento Também irá medir os valores para as duas situações da fonte de tensão 5 V e 12 V Acrescente fotos de seu circuito montado No caso apenas a tensão será medida Para estimar o valor da corrente você utilizará a lei de Ohm o valor de tensão medido e o valor de resistência medida na etapa 1 I VR Fonte de tensão 5 V Tensão V Corrente mA Potência mW Simulada Medida Simulada Calculada Simulada Calculada Fonte 5 R1 R2 R3 R4 9 Fonte de tensão 12 V Tensão V Corrente mA Potência mW Simulada Medida Simulada Calculada Simulada Calculada Fonte 12 R1 R2 R3 R4 Analise os valores simulados e medidos no experimento e responda as perguntas abaixo Os valores simulados e medidos são iguais Caso não por quê Obs seja o mais detalhista possível Sempre explique como você encontrou os valores os cálculos que você fez acrescente fotos dos experimentos Em caso de dúvidas entre em contato pela tutoria Este trabalho será entregue em uma única postagem Você deverá elaborar o projeto utilizando o modelo de relatório disponível no material complementar Lembrese de salvar seu arquivo em formato PDF Algumas dicas não copie e cole textos da rota Você deve ler analisar e reescrever Caso retire algo da internet ou outro local tenha o mesmo cuidado e não esqueça de citar a fonte para não caracterizar plágio o que poderá zerar sua atividade RELATÓRIO PROJETO EXPERIMENTAL PE UTA III Eletricidade I Informática Básica Projeto Experimental III Fase I 1 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 2 2 OBJETIVOS 3 3 REFERENCIAL TEÓRICO 4 4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAL 7 5 RESULTADOS 9 2 1 INTRODUÇÃO O estudo da Lei de Ohm que descreve a relação entre tensões e correntes elétricas em um circuito é fundamental para compreender os princípios básicos da eletricidade e desempenha um papel crucial nas disciplinas de Eletricidade I e Informática Básica Esta aula prática proporcionou uma oportunidade valiosa para explorar na prática os conceitos teóricos discutidos em sala de aula relacionados às características fundamentais dos circuitos elétricos Neste relatório documentaremos nossa experiência no laboratório abordando os procedimentos realizados resultados obtidos e as conclusões que derivamos a partir dessas atividades Durante a aula prática nos concentramos em investigar a Lei de Ohm e sua aplicação na análise de circuitos elétricos Isso envolveu a medição das tensões e correntes em diferentes componentes de circuitos bem como a verificação da relação linear entre essas grandezas como previsto pela Lei de Ohm A compreensão dos princípios da Lei de Ohm é essencial para qualquer engenheiro ou profissional que trabalhe com eletricidade pois ela fornece as bases para o design análise e solução de problemas em circuitos elétricos complexos Neste relatório apresentaremos os detalhes da aula prática incluindo os equipamentos utilizados os procedimentos realizados e os resultados obtidos a fim de demonstrar como a Lei de Ohm se aplica na prática 3 2 OBJETIVOS Os principais objetivos desta prática são Encontrar os valores das resistências de associações de resistores elétricos Medir tensões e correntes elétricas contínuas em circuitos contendo associação de resistores Calcular tensão corrente e potência em cada um dos resistores do circuito proposto 4 3 REFERENCIAL TEÓRICO O diagrama abaixo Fig 1 representa um circuito elétrico constituído de uma fonte de tensão contínua e um resistor ôhmico conectados por cabos de conexões elétricas No diagrama o sentido da corrente elétrica é definido através do movimento dos portadores de cargas positivas Na Fig 1 os cabos de conexões elétricas estão representados pelas linhas que ligam os componentes elétricos e considerados condutores ideias resistência desprezível Figura 1 Circuito contendo uma fonte de tensão contínua de fem e um resistor R Em resposta à diferença de potencial estabelecida pela fonte de tensão os portadores de carga irão se movimentar de forma ordenada no circuito dando origem a uma corrente elétrica i A Lei de Ôhm estabelece uma relação linear entre a corrente i e a diferença de potencial V nos terminais de um resistor linear R dada por 1 Apesar da Lei de Ôhm ser válida apenas para resistores em resistência R constante resistores lineares a Eq 1 pode ser aplicada para qualquer tipo de resistor Dáse o nome de resistor ôhmico ao condutor que possui uma resistência independente da tensão e corrente aplicadas ao circuito Na Fig 2 representamos outro circuito elétrico de uma única malha Nesse caso o circuito é composto por uma fonte de tensão ligada em série com três resistores ôhmicos De acordo com a conservação de energia a soma das ddps em cada resistor é igual à fem fornecida pela fonte 2 5 Figura 2 Circuito contendo uma fonte de tensão contínua de fem e resistores em série de modo que 3 Assim a combinação em série das três resistências pode ser substituída por uma resistência equivalente Re dada por 4 Além da associação em série podemos combinar os resistores em paralelo sujeitos à mesma fem como representado na Fig 3 Figura 3 Circuito contendo uma fonte de tensão contínua de fem e resistores em paralelo De acordo com a conservação da carga elétrica a corrente total do circuito i está relacionada com as correntes em cada resistor pela lei dos nós ii1i2i3 5 Nesta associação os resistores estão sujeitos à mesma fem Com isso as correntes em cada resistor são dadas por 6 Substituindo i1 i2 e i3 na Eq 5 resulta 6 7 Portanto a resistência equivalente Re à combinação em paralelo das três resistências Fig 3 é dado por 8 ou seja 9 7 4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAL O projeto experimental será dividido em três etapas Etapa 1 Na primeira etapa do projeto será estudado a associação de resistores conforme circuito proposto abaixo Os valores dos resistores foram determinados a partir do número do RU 3971230 sendo R1 3 1000 3000 Ω R2 9 500 4500 Ω R3 7 200 1400 Ω R4 1 300 300 Ω Após o circuito montado é pedido para encontrar o valor da resistência equivalente entre os pontos A e B Etapa 2 Na segunda etapa do projeto será estudado a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff Será utilizado o mesmo circuito proposto na etapa 1 porém com acréscimo da fonte da tensão Para esse circuito é pedido para calcular a tensão 8 corrente e potência em cada um dos resistores considerando a tensão da fonte em 2 casos 5V e 12V Após os cálculos o circuito deve ser montado no simulador Multisim Online Etapa 3 Na terceira etapa do projeto é pedido para montar o circuito proposto nas etapas anteriores na protoboard fazendo a medição da tensão em cada um dos resistores 9 5 RESULTADOS Etapa 1 R1 1º dig 1000 3000 Ω R2 2º dig 500 4500 Ω R3 3º dig 200 1400 Ω R4 3º dig 300 300 Ω Req 323420 Ω Vale ressaltar que os valores especificados dos resistores não são os mesmos medidos bem como o valor da resistência equivalente Isso ocorre por diversas razões sendo as principais que as resistências têm uma tolerância específica que indica a variação permitida em relação ao valor nominal ou seja se a tolerância permitir uma variação de por exemplo 5 então a resistência real pode ser 5 maior ou menor que o valor nominal Além disso as medições têm um 10 grau de incerteza associado Instrumentos de medição têm limitações e fatores como a precisão do instrumento calibração e erros sistemáticos podem afetar a precisão da medição Etapa 2 A partir dos cálculos demonstrados na etapa 1 podemos utilizar o circuito equivalente para cálculo da corrente total O circuito equivalente é ilustrado a seguir Caso 1 Fonte 5V 11 Tensão V Corrente A Potência W Calculada Simulada Calculada Simulada Calculada Simulada Fonte 5 5 R1 R2 R3 R4 Caso 2 Fonte 12V 12 Tensão V Corrente A Potência W Calculada Simulada Calculada Simulada Calculada Simulada Fonte 12 12 R1 R2 R3 R4 13 1 Os valores calculados e simulados são iguais Justifique Sim Porque a simulação considera os resultados teoricamente ideais pois são baseadas em modelos matemáticos e assumem condições ideais ou seja a simulação não considera as perdas e os possíveis erros de medição Portanto os valores calculados precisam ser iguais aos valores simulados 2 Qual é a potência gerada no circuito E qual é a potência consumida Para cada um dos casos a potência gerada vai ser igual a potência consumida No caso 1 fonte de 5V a potência gerada pela fonte é 773 mW e a potência consumida é a soma das potências nos resistores sendo igual a 773 mW Já para o caso 2 fonte de 12V a potência gerada pela fonte é 4452 mW e a potência consumida é a soma das potências nos resistores sendo igual a 4452 mW 3 Qual é o balanço de potências do circuito Justifique O balanço das potências do circuito é zero pois como descrito anteriormente a potência gerada é igual a potência consumida Isso é um reflexo direto da lei de conservação de energia e é um princípio fundamental em circuitos elétricos Etapa 3 Completar com a montagem do circuito na protoboard Vale ressaltar que assim como descrito na etapa 1 os valores simulados e medidos não são iguais Isso acontece por diversas razões sendo as principais o fato de as próprias resistências já terem valores diferentes devido a tolerância específica perda joule no circuito possíveis erros de precisão e calibração da fonte além de erros sistemáticos da medição RELATÓRIO PROJETO EXPERIMENTAL PE UTA III Eletricidade I Informática Básica Projeto Experimental III Fase I 1 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO2 2 OBJETIVOS3 3 REFERENCIAL TEÓRICO4 4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAL7 5 RESULTADOS9 2 1 INTRODUÇÃO O estudo da Lei de Ohm que descreve a relação entre tensões e correntes elétricas em um circuito é fundamental para compreender os princípios básicos da eletricidade e desempenha um papel crucial nas disciplinas de Eletricidade I e Informática Básica Esta aula prática proporcionou uma oportunidade valiosa para explorar na prática os conceitos teóricos discutidos em sala de aula relacionados às características fundamentais dos circuitos elétricos Neste relatório documentaremos nossa experiência no laboratório abordando os procedimentos realizados resultados obtidos e as conclusões que derivamos a partir dessas atividades Durante a aula prática nos concentramos em investigar a Lei de Ohm e sua aplicação na análise de circuitos elétricos Isso envolveu a medição das tensões e correntes em diferentes componentes de circuitos bem como a verificação da relação linear entre essas grandezas como previsto pela Lei de Ohm A compreensão dos princípios da Lei de Ohm é essencial para qualquer engenheiro ou profissional que trabalhe com eletricidade pois ela fornece as bases para o design análise e solução de problemas em circuitos elétricos complexos Neste relatório apresentaremos os detalhes da aula prática incluindo os equipamentos utilizados os procedimentos realizados e os resultados obtidos a fim de demonstrar como a Lei de Ohm se aplica na prática 3 2 OBJETIVOS Os principais objetivos desta prática são Encontrar os valores das resistências de associações de resistores elétricos Medir tensões e correntes elétricas contínuas em circuitos contendo associação de resistores Calcular tensão corrente e potência em cada um dos resistores do circuito proposto 4 3 REFERENCIAL TEÓRICO O diagrama abaixo Fig 1 representa um circuito elétrico constituído de uma fonte de tensão contínua e um resistor ôhmico conectados por cabos de conexões elétricas No diagrama o sentido da corrente elétrica é definido através do movimento dos portadores de cargas positivas Na Fig 1 os cabos de conexões elétricas estão representados pelas linhas que ligam os componentes elétricos e considerados condutores ideias resistência desprezível Figura 1 Circuito contendo uma fonte de tensão contínua de fem e um resistor R Em resposta à diferença de potencial estabelecida pela fonte de tensão os portadores de carga irão se movimentar de forma ordenada no circuito dando origem a uma corrente elétrica i A Lei de Ôhm estabelece uma relação linear entre a corrente i e a diferença de potencial V nos terminais de um resistor linear R dada por 1 Apesar da Lei de Ôhm ser válida apenas para resistores em resistência R constante resistores lineares a Eq 1 pode ser aplicada para qualquer tipo de resistor Dáse o nome de resistor ôhmico ao condutor que possui uma resistência independente da tensão e corrente aplicadas ao circuito Na Fig 2 representamos outro circuito elétrico de uma única malha Nesse caso o circuito é composto por uma fonte de tensão ligada em série com três resistores ôhmicos De acordo com a conservação de energia a soma das ddps em cada resistor é igual à fem fornecida pela fonte 2 5 Figura 2 Circuito contendo uma fonte de tensão contínua de fem e resistores em série de modo que 3 Assim a combinação em série das três resistências pode ser substituída por uma resistência equivalente Re dada por 4 Além da associação em série podemos combinar os resistores em paralelo sujeitos à mesma fem como representado na Fig 3 Figura 3 Circuito contendo uma fonte de tensão contínua de fem e resistores em paralelo De acordo com a conservação da carga elétrica a corrente total do circuito i está relacionada com as correntes em cada resistor pela lei dos nós ii1i2i3 5 Nesta associação os resistores estão sujeitos à mesma fem Com isso as correntes em cada resistor são dadas por 6 Substituindo i1 i2 e i3 na Eq 5 resulta 6 7 Portanto a resistência equivalente Re à combinação em paralelo das três resistências Fig 3 é dado por 8 ou seja 9 7 4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAL O projeto experimental será dividido em três etapas Etapa 1 Na primeira etapa do projeto será estudado a associação de resistores conforme circuito proposto abaixo Os valores dos resistores foram determinados a partir do número do RU 3971230 sendo R1 3 1000 3000 Ω R2 9 500 4500 Ω R3 7 200 1400 Ω R4 1 300 300 Ω Após o circuito montado é pedido para encontrar o valor da resistência equivalente entre os pontos A e B Etapa 2 Na segunda etapa do projeto será estudado a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff Será utilizado o mesmo circuito proposto na etapa 1 porém com 8 acréscimo da fonte da tensão Para esse circuito é pedido para calcular a tensão corrente e potência em cada um dos resistores considerando a tensão da fonte em 2 casos 5V e 12V Após os cálculos o circuito deve ser montado no simulador Multisim Online Etapa 3 Na terceira etapa do projeto é pedido para montar o circuito proposto nas etapas anteriores na protoboard fazendo a medição da tensão em cada um dos resistores 9 5 RESULTADOS Etapa 1 R1 1º dig 1000 3000 Ω R2 2º dig 500 4500 Ω R3 3º dig 200 1400 Ω R4 3º dig 300 300 Ω Req 323420 Ω Vale ressaltar que os valores especificados dos resistores não são os mesmos medidos bem como o valor da resistência equivalente Isso ocorre por diversas razões sendo as principais que as resistências têm uma tolerância específica que indica a variação permitida em relação ao valor nominal ou seja se a tolerância permitir uma variação de por exemplo 5 então a resistência real pode ser 5 maior ou menor que o valor nominal Além disso as medições têm um 10 grau de incerteza associado Instrumentos de medição têm limitações e fatores como a precisão do instrumento calibração e erros sistemáticos podem afetar a precisão da medição Etapa 2 A partir dos cálculos demonstrados na etapa 1 podemos utilizar o circuito equivalente para cálculo da corrente total O circuito equivalente é ilustrado a seguir Caso 1 Fonte 5V 11 Tensão V Corrente A Potência W Calculada Simulada Calculada Simulada Calculada Simulada Fonte 5 5 R1 R2 R3 R4 Caso 2 Fonte 12V 12 Tensão V Corrente A Potência W Calculada Simulada Calculada Simulada Calculada Simulada Fonte 12 12 R1 R2 R3 R4 13 1 Os valores calculados e simulados são iguais Justifique Sim Porque a simulação considera os resultados teoricamente ideais pois são baseadas em modelos matemáticos e assumem condições ideais ou seja a simulação não considera as perdas e os possíveis erros de medição Portanto os valores calculados precisam ser iguais aos valores simulados 2 Qual é a potência gerada no circuito E qual é a potência consumida Para cada um dos casos a potência gerada vai ser igual a potência consumida No caso 1 fonte de 5V a potência gerada pela fonte é 773 mW e a potência consumida é a soma das potências nos resistores sendo igual a 773 mW Já para o caso 2 fonte de 12V a potência gerada pela fonte é 4452 mW e a potência consumida é a soma das potências nos resistores sendo igual a 4452 mW 3 Qual é o balanço de potências do circuito Justifique O balanço das potências do circuito é zero pois como descrito anteriormente a potência gerada é igual a potência consumida Isso é um reflexo direto da lei de conservação de energia e é um princípio fundamental em circuitos elétricos Etapa 3 Completar com a montagem do circuito na protoboard Vale ressaltar que assim como descrito na etapa 1 os valores simulados e medidos não são iguais Isso acontece por diversas razões sendo as principais o fato de as próprias resistências já terem valores diferentes devido a tolerância específica perda joule no circuito possíveis erros de precisão e calibração da fonte além de erros sistemáticos da medição