Relatório 6 Capacitores Fisica 3

6º Relatório de Laboratório de Física III\n\nAlexandre Hassegawa, Antônio Junior, Ralfe Luiz Grote, Vitor Pinoti\n\n29 de Maio de 2018\n\nDisciplina: Laboratório de Física III - FACET - UFGD\nData de elaboração: 29 de Maio de 2018\nAssunto: Experimento sobre carga e descarga de capacitores associados a uma resistência\nInstrutor: Prof. Dr. Marcio Roberto\nTécnico de laboratório: Cientistas da Computação Esmael\nEmail de entrega: marcioroberto@ufgd.edu.br\n\n1 Introdução\n\nEm outubro de 1745, Ewald Georg von Kleist, descobriu que uma carga poderia ser armazenada, conectando um gerador de alta tensão eletrostática por um fio a uma jarra de vidro com água, que estava em sua mão. A mão de Von Kleist e a água agiram como condutores, e a jarra como um dielétrico (mas os detalhes do mecanismo não foram identificados corretamente no momento). Von Kleist descobriu, após a remoção do gerador, que ao tocar o fio, o resultado era um doloroso choque. Em uma carta descrevendo o experimento, ele disse: \"Eu não levaria um segundo choque pelo reino de França\". No ano seguinte, na Universidade de Leiden, o físico holandês Pieter van Musschenbroek inventou um capacitor similar, que foi nomeado de Jarra de Leiden. Daniel Gralath foi o primeiro a combinar várias jarras em paralelo para aumentar a capacidade de armazenamento de carga. Benjamin Franklin investigou que a Jarra de Leiden \"provou\" que a carga estava armazenada no vidro, e não na água como os outros tinham suposto. Ele também adotou o termo \"bateria\", posteriormente aplicada a um aglomerados de células eletroquímicas. Jarras de Leiden foram utilizados exclusivamente até cerca de 1900, quando a invenção das transmissões de rádio em 1899 criou uma demanda por capacitores padrão, e o movimento constante para frequências mais altas necessitavam de capacitores com baixa capacitância. No início capacitores também eram conhecidos como condensadores, um termo que ainda é utilizado atualmente. O termo foi usado pela primeira vez por Alessandro Volta em 1782, com referência à capacidade do dispositivo de armazenar uma maior densidade de carga elétrica do que um condutor normalmente isolado. O presente relatório tem o propósito de nos apresentar os resultados obtidos ao estudar capacitores, observando o conceito de capacitância e as leis de carga e descarga de capacitores, bem como as regras de associação desses elementos de circuito. O experimento foi realizado em laboratório seguindo um roteiro pré-definido, obtendo-se sempre os melhores resultados possíveis e a melhor apresentação dos dados.\n\n2 Fundamentação Teórica\n\n2.1 Capacitores\n\nOs formas típicas consistem em dois eletrodos ou placas que armazenam cargas opostas. A carga é armazenada na superfície das placas, no limite com o dielétrico. Devido ao fato de cada placa armazenar cargas iguais, porém opostas, a carga total no dispositivo é sempre zero. Um exemplo de capacitor de placas paralelas é dado na figura 1. A propriedade que esses dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas Como visto na equação 1.\n\nPelo Sistema Internacional de Unidades (SI), um capacitor tem a capacitância de um farad (F) quando um coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um volt (V) entre as placas (ou armaduras). O farad é uma unidade de medida considerada muito grande para circuitos práticos, por isso, são utilizados valores de capacitâncias expressos em microfarads (uF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF).\n\nA equação acima é exata somente para valores de Q muito maiores que a carga do elétron. Por exemplo, se uma capacitância de 1 pF fosse carregada a uma tensão de 1 uV, a equação perderia uma carga, mas isto seria impossível já que seria menor do que a carga em um único elétron. Entretanto, as experiências e as teorias recentes sugerem a existência de cargas fracionárias.\n\nA capacitância de um capacitor de placas paralelas constituído de dois eletrodos planos idênticos de área A separados a distância constante d. Como visto na equação 2. Figura 1: Capacitor de Placas paralelas\n\n(1)\n\n(2)\n\n3 Objetivos\n\nComparar o tempo de carga e descarga de diferentes capacitores bem como as regras de associação desses elementos de circuito.\n\n4 Materiais e métodos\n\n4.1 Materiais utilizados para o experimento\n\n1. -Capacitores;\n2. -Resistências;\n3. -Gerador de tensão;\n4. -Kit de circuitos elétricos;\n5. -Multímetro digital. 4.2 Procedimentos Experimentais\nO procedimento teve início com a apresentação dos circuitos com os capacitores e resistores interligados, respeitando a polaridade da bateria, para que não houvesse explosão do capacitor. O primeiro experimento foi o descarregamento de um capacitor de 4700 μF com a de um resistor de 47 kΩ. Ajustou-se a tensão para 10V, ao carregar os capacitores ao máximo, este foi desligado através do interruptor e cronometrado a tensão cair a cada 0,5 V gradativamente, repetindo o mesmo procedimento com os resistores de 21 kΩ e por último o de 10 kΩ. A segunda etapa foi o processo inverso do primeiro, carregar um capacitor. Inicialmente utilizou-o de 2200 μF e novamente com a tensão de 10V, cronometrando gradativamente entre 0,5V. Em um segundo momento realizamos os valores 4400 μF e 14700 μF. O terceiro e último experimento foi a associação de um capacitor carregado e conectado a um descarregado, com a tensão de 10V em um circuito de chaves interruptoras denominadas S1 e S2, cujo objetivo era o de impedir a chegada da tensão ao último capacitor. O processo foi realizado através da transferência de carga entre capacitores, abrindo o circuito da chave S2 desconectava na fonte, fechando a chave S2, ocorria a transferência entre os capacitores de 4700 μF. Exemplo da montagem dos circuitos na figura 2.\nFigura 2: Circuito montado. 4.2.1 Descarga dos Capacitores\nNo momento que é aberto o circuito não obtendo fornecimento da tensão da fonte, os capacitores começam a fornecer carga a mecanismo, enviando corrente aos caminhos, caso haja resistores sendo eles em paralelos ou em série, influenciará na carga e a tensão, tendendo a decair, estabelecendo uma forma exponencial graficamente em relação a tempo, como exemplo nos gráficos [1], [2] e [3] sendo circuitos com valores de resistores de valores diferentes e em paralelo aos capacitores. (47kΩ, 21kΩ e 10kΩ)\nTensão\t\t47kΩ\t\t21kΩ\t\t10kΩ\n10V\t\t00:00:00\t00:00:00\t00:00:00\n9,5V\t\t00:00:12\t00:00:05\t00:00:03\n9,0V\t\t00:00:24\t00:00:11\t00:00:05\n8,5V\t\t00:00:37\t00:00:17\t00:00:09\n8,0V\t\t00:00:50\t00:00:23\t00:00:10\n7,5V\t\t00:01:06\t00:00:29\t00:00:14\n7,0V\t\t00:01:20\t00:00:36\t00:00:17\n6,5V\t\t00:01:38\t00:00:43\t00:00:21\n6,0V\t\t00:01:57\t00:00:51\t00:00:26\n5,5V\t\t00:02:17\t00:01:00\t00:00:29\n5,0V\t\t00:02:39\t00:01:00\t00:00:33\n4,5V\t\t00:03:04\t00:01:22\t00:02:39\n4,0V\t\t00:03:23\t00:02:10\t00:02:42\n3,5V\t\t00:04:03\t00:01:47\t00:00:50\n3,0V\t\t00:04:38\t00:02:03\t00:00:58\n2,5V\t\t00:05:22\t00:02:22\t00:01:07\n2,0V\t\t00:06:14\t00:02:45\t00:01:18\n1,5V\t\t00:07:24\t00:03:15\t00:01:31\n1,0V\t\t00:09:01\t00:03:57\t00:01:51\n0,5V\t\t00:11:50\t00:05:12\t00:02:26 4.2.2 Carregamento dos Capacitores\nTomando o sempre o cuidado de começar as próximas etapas com o capacitor descarregado, foi conectado o capacitor a 2200 μF e medido o tempo para se carregar de 0 a 9,5V anotando o tempo a cada 0,5V. Repetindo o procedimento, agora com capacitância equivalente a 4400 μF e 14700 μF obtivemos resultados contrários extremamente parecidos com os da primeira parte do experimento.\nTENSÃO\t\t2200μF\t\t4400 μF\t\t14700 μF\n0V\t\t00:00:00\t00:00:00\t00:00:00\n0,5V\t\t00:00:01\t00:00:03\t00:00:09\n1,0V\t\t00:00:03\t00:00:05\t00:00:17\n1,5V\t\t00:00:04\t00:00:08\t00:00:26\n2,0V\t\t00:00:05\t00:00:11\t00:00:36\n2,5V\t\t00:00:07\t00:00:14\t00:00:46\n3,0V\t\t00:00:09\t00:00:17\t00:00:57\n3,5V\t\t00:00:11\t00:00:22\t00:01:09\n4,0V\t\t00:00:13\t00:00:26\t00:01:22\n4,5V\t\t00:00:15\t00:00:30\t00:01:36\n5,0V\t\t00:00:17\t00:00:35\t00:01:51\n5,5V\t\t00:00:20\t00:00:40\t00:02:08\n6,0V\t\t00:00:23\t00:00:45\t00:02:27\n6,5V\t\t00:00:27\t00:00:50\t00:02:42\n7,0V\t\t00:00:30\t00:01:00\t00:03:14\n7,5V\t\t00:00:36\t00:01:15\t00:03:43\n8,0V\t\t00:00:41\t00:01:38\t00:04:20\n8,5V\t\t00:00:49\t00:01:52\t00:05:08\n9,0V\t\t00:01:06\t00:02:42\t00:06:16\n9,5V\t\t00:01:14\t00:03:51\t00:08:19 5 Resultados e Discussões\n\nUsando os dados recolhidos em laboratório, podemos plotar 6 gráficos de descarga(Figura 3) e carga(Figura 4) dos capacitores. Observa-se no mesmo que para carga e descarga do capacitor não temos um comportamento linear e sim exponencial. Isso está relacionado à taxa de carga e descarga do mesmo. Possui limites de carga, pois possui uma capacitância máxima.\n\nAnalisando as tabelas de carga e descarga das figuras 3 e 4 torna-se evidente que, quanto maior a resistência, maior será o tempo até que perca ou ganhe totalmente a carga do capacitor e, quanto menor o valor do resistor, maior será a velocidade de esgotamento ou carregamento de sua carga, isto porque a resistência limita fluidez da corrente pelo circuito, necessitando de mais tempo. Sendo importante ressaltar que, a diferença de potencial também influencia no tempo, apresentando lentidão no decaimento conforme o valor da tensão diminui, exemplo, entre 1,5V até 0,5V do gráfico [3] de descarga.\n\nNota-se também que com os erros considerados relativamente baixos, proporcionou-nos bons resultados, com uma boa exatidão dos mesmos. DESCARGA COM RESISTOR 47kΩ\n\nDESCARGA COM RESISTOR 21kΩ\n\nDESCARGA COM RESISTOR 10kΩ\n\nFigura 3: Gráficos de descarregamento. 2200μF\n\n4400μF\n\n14700μF\n\nFigura 4: Gráficos de carregamento. 6 Conclusão\n\nApós as atividades em laboratório serem concluídas, os experimentos foram discutidos em grupo para que fizéssemos as devidas análises. O fundamento do experimento realizado foi encontrado por meio de pesquisa aprofundada. Pode-se concluir que o experimento realizado quanto a carga e a descarga do capacitor está relacionado com um aumento ou diminuição drástica em intervalos de tempo próximos a zero segundo, logo conclui-se que é muito fácil carregar um capacitor rapidamente, mas também descarregá-lo em questões de segundos, observa-se que ambos possuem um limite de carga seja para menos (tendendo a zero de diferença de potencial); seja para mais (tendendo a diferença de potencial máxima do capacitor que neste caso foi de 9,5v).\n\nNeste experimento, compreendeu-se a importância da constante de tempo na carga de um capacitor, em um circuito RC. Entendeu-se que o tempo de carga e descarga tem valores iguais porque estão diretamente relacionados com a constante de tempo. Ao alterar-se o resistor limitador, a proporcionalidade entre o valor desta é constante, é uma razão direta quando se mantém a mesma capacitância. Que mantendo-se o constante a resistênci a alterando-se a capacitância, a proporcionalidade continua a existir, razão direta. O Capacitor receberá mais ou menos carga, dependendo do seu valor. Que, em ambos os casos, carga ou descarga, a corrente é sempre decrescente em função do tempo. Levando-se em conta uma metodologia para cronometrear a capacitação dos valores de tensão, durante a carga e descarga, fatores outros alheios ao nosso controle, conclui-se que os valores processados estão dentro da faixa aceitável de comprovação. Com este experimento foi possível, provar na prática, o que se tinha como referencial teórico e alcançar os objetivos propostos.\n\nO experimento trouxe uma ação mais prática do que em sala pode-se aprender, enfatizando e melhorando o aprendizado. 7 Referências\n\n[1] Capacitores. Disponível em: http://www.brasilescola.com/fisica/capacitores.htm, acesso em 21 de maio de 2018 às 17:33 h.\n[2] O que são capacitores. Disponível em: www.uel.br/cce/fisica/docentes, acesso em 21 de maio de 2018 às 17:49 h.\n[3] Significado de capacitor. Disponível em: http://www.hardware.com.br/termos/capacitor-ou-condensador, acesso em 21 de maio de 2018 às 18:06 h.\n[4] Carga e descarga de capacitores: http://hermes.ucs.br/ccet/defq/, acesso em 21 de maio de 2018 às 18:15 h.