Investigação Lei de Ohm para condutores ôhmicos e não ôhmicos

1. Familiarizar-se com o aparelho

1. Para este experimento, use um computador para coletar os dados e gráficos de gráficos de gráficos.
2. Carregue o software para o experimento clicando duas vezes no ícone "Ohm's Law" na área de trabalho do computador. Quando o programa é carregado, a tela deve mostrar um gráfico, uma tabela e, no canto inferior direito, caixas com as leituras de tensão e corrente.
3. Clique no botão Zero e selecione "Zero Todos os sensores" para ter certeza de que as leituras de tensão e corrente leram zero quando não estiverem conectadas.
4. Seguindo o diagrama do circuito na Figura 1,conecte os dois cabos no sensor de tensão à fonte de alimentação, que é uma caixa azul. O chumbo vermelho vai para a conexão + na fonte de alimentação, e a pista preta vai para o - um.
5. Certifique-se de que o sensor atual não está conectado e certifique-se de que o botão atual na fonte de alimentação seja transformado ao máximo (totalmente no sentido horário).
6. Inicie a coleta de dados pressionando o ícone do Arqueiro Verde (o botão Coletar) no computador.
7. Observe o que acontece quando o botão de tensão na fonte de alimentação é movido entre suas configurações mínimas e máximas. O ajuste do botão permite que a tensão seja alterada de cerca de +0,7 V para pelo menos +5 volts.
8. Inverta os cabos do sensor de tensão (vermelho para -, preto para +) e repita as etapas 1.5-1.7. Desta vez, o ajuste do botão dá uma faixa de tensão de cerca de −0,7 V a -5 V. Assim, ajustando a tensão de alimentação, bem como invertendo os cabos, quase toda a gama de tensões entre -5 V e +5 V está disponível para trabalhar neste experimento. Observe que a fonte de alimentação usada neste experimento não pode colocar tensões abaixo de 0,7 volts (uma característica incomum), mas há mais do que suficiente de uma faixa para determinar as relações de interesse.

Figura 1: Este diagrama do circuito mostra a fonte de alimentação (marcada com os símbolos + e - e o sensor de tensão (V) conectado por dois fios.

2. Investigando a Lei de Ohm

Nota: Nesta parte do experimento, o objetivo é observar gráficos de corrente versus tensão.

1. Para alterar o que é exibido em um eixo, clique no rótulo do eixo, verifique a opção apropriada para exibir as informações desejadas e (apenas para o eixo y) remova a verificação(s) de itens indesejados no visor. Defina o gráfico para mostrar corrente no eixo y e potencial no eixo x.
2. Para definir as escalas corretamente, clique em um dos números à esquerda do eixo y. Isso traz uma caixa para inserir um mínimo de -0,3 e um máximo de 0,3 para o dimensionamento manual. Repita para o eixo x clicando em um número abaixo do eixo x para trazer a caixa de configurações. Desta vez, digite -6 como o mínimo e 6 como o máximo. Isso prepara o gráfico para exibir correntes entre −0,3 e +0,3 A, e tensões entre -5 V e +5 V.
3. Seguindo o diagrama do circuito na Figura 2,ligue o circuito para medir a tensão e a corrente em um resistor de 100 Ω.
4. Use uma caixa de resistência como resistor. Defina para 100 Ω. Na fonte de alimentação, gire a corrente e a tensão ao máximo.
5. Pressione o ícone do Arqueiro Verde para iniciar a coleta de dados.
6. Ao longo de vários segundos, abaixe a tensão para o mínimo e, em seguida, reverta rapidamente os cabos na fonte de alimentação. Ao longo de vários segundos, gire o botão de tensão em direção ao máximo novamente. Isso deve resultar em um gráfico de corrente versus tensão, variando de cerca de -5 volts a +5 volts.
7. Repita o processo até ficar satisfeito com o gráfico, selecione o menu Data e escolha "Armazene a última execução".
8. Observe que o gráfico da corrente vs. tensão é uma linha reta. Aperte o botão Regressão para executar um ajuste linear aos dados e registe a inclinação da linha.
   1. A Figura 4 mostra o gráfico de corrente vs. tensão para o resistor marcado 100 Ω. Um ajuste linear aos dados resulta em uma inclinação de 0,00991 A/V. O inverso da resistência é 0.0100 A/V, que é uma boa combinação com a inclinação.
9. Altere a resistência da caixa de resistência para 200 Ω e repita as etapas 2.6-2.9.
10. Compare os dois valores de inclinação com os valores de resistência correspondentes e determine a relação entre corrente, tensão e resistência.
    1. A Figura 5 mostra o gráfico de corrente vs. tensão para o resistor marcado 200 Ω. Um ajuste linear aos dados resulta em uma inclinação de 0,00510 A/V. O inverso da resistência é 0,00500 A/V, o que é uma boa combinação com a inclinação.
11. A inclinação do gráfico de corrente versus tensão acaba por ser o inverso da resistência. Isso pode ser escrito como:
    ou
    1. A corrente enviada pela fonte de alimentação é proporcional à tensão e inversamente proporcional à resistência. Quando a corrente é grafada em função da tensão, espera-se que a inclinação da linha seja o inverso da resistência.

Figura 2: Este diagrama de circuito mostra a fonte de alimentação conectada a um resistor de 100 Ω, com o sensor de tensão (V) medindo a diferença potencial entre o resistor e o amômetro medindo a corrente através dele.

 
Figura 3: Neste diagrama de circuito, o resistor é substituído por uma lâmpada, e um interruptor foi adicionado. O interruptor está inicialmente aberto, de modo que a lâmpada está desligada no início.

Figura 4: Gráfico de corrente vs. tensão com um resistor marcado 100 Ω. Um ajuste linear aos dados resulta em uma inclinação de 0,00991 A/V. Observe que os dados perdidos no centro do gráfico são simplesmente um artefato da fonte de alimentação específica usada no experimento, que tem a característica incomum de não produzir tensões abaixo de cerca de 0,7 V.
Figura 5: Gráfico de corrente vs. tensão com um resistor marcado 200 Ω. Um ajuste linear aos dados resulta em uma inclinação de 0,00510 A/V.

3. Investigar lâmpadas

1. Substitua o resistor do circuito anterior por uma pequena lâmpada incandescente (Figura 3). Repita o experimento, obtendo um gráfico de corrente em função da tensão para a lâmpada. Observe quaisquer diferenças na forma de gráfico para a lâmpada em comparação com o resistor.
   1. A Figura 6 mostra um gráfico de corrente versus tensão para a lâmpada incandescente. Em geral, a corrente aumenta à medida que a tensão aumenta, mas o gráfico não é tão linear quanto os gráficos para os resistores. O gráfico também mostra que a corrente é, em geral, maior em uma determinada tensão quando a tensão está aumentando, em comparação com seu valor nessa mesma tensão quando a corrente está diminuindo.
2. Agora, plot current vs. time em vez de corrente vs. voltagem. Para fazer isso, clique no rótulo "tensão" no eixo horizontal para trazer à tona a lista de variáveis contra as quais o gráfico pode ser plotado e escolha o tempo em vez de tensão.
3. Vire a tensão para cima, de modo que a lâmpada brilhe brilhantemente e, em seguida, desligue a fonte de alimentação, usando o interruptor liga/desliga. Clique no botão Coletar (arqueiro verde) na tela para iniciar a coleta de dados e ligue a fonte de alimentação.
   1. Observe o gráfico, mostrado na Figura 7. A corrente através da lâmpada vai para um nível alto quando a fonte de alimentação é ligada e, em seguida, cai para um valor constante menor. Isso é bem diferente do comportamento de um resistor padrão, que normalmente saltaria direto para um valor constante quando a fonte de alimentação é ligada.
   2. A explicação para ambas as observações é a mesma. Quanto maior a temperatura do filamento da lâmpada, maior a resistência. Quando a lâmpada está desligada (Figura 7), o filamento está em temperatura ambiente com uma resistência relativamente baixa. Quando a lâmpada é então ligada, a corrente salta para um alto nível por causa da baixa resistência, mas à medida que o filamento aquece e a resistência aumenta, a corrente cai. Eventualmente, a temperatura se estabiliza, e a corrente é constante.
   3. Quando a tensão está aumentando (Figura 6),o filamento está aquecendo, então com um filamento mais frio a resistência é menor e a corrente maior. Para a segunda metade do gráfico, quando a tensão reduz, o filamento está esfriando a partir de uma temperatura mais alta, e assim tem maior resistência e corrente mais baixa.
4. Por fim, volte para corrente vs. tensão e use um LED no lugar da lâmpada.
5. Como antes, obtenha um gráfico de corrente em função da tensão para o LED. Certifique-se de usar tensões positivas e negativas para ver toda a gama do comportamento do circuito com o LED.
   1. A Figura 8 mostra o gráfico de corrente versus tensão para um LED. O diodo não permite que a corrente flua em uma direção, quando a tensão é negativa; no entanto, quando a tensão é positiva e acima de um certo limiar, a corrente flui e aumenta tão rapidamente quanto a tensão aumenta. Desta forma, o diodo age como uma válvula unidirecional para corrente. Note que o filamento da lâmpada e os resistores não mostram tal direcionalidade.

Figura 6: Gráfico de corrente vs. tensão para uma lâmpada incandescente. O gráfico começa no canto inferior esquerdo, depois seguiu a faixa superior à medida que a tensão era aumentada, e a lâmpada ficou muito brilhante. A tensão foi então diminuída, e o gráfico seguiu a faixa inferior até o canto inferior esquerdo.

Figura 7: Gráfico atual versus tempo para uma lâmpada incandescente. A lâmpada estava desligada, e então a tensão foi ligada em torno da marca de 1,4 segundos e mantida em um valor constante. O pico atual atingiu cerca de 0,57 A, e depois caiu para um valor constante de cerca de 0,27 A.

Figura 8: Gráfico de corrente vs. tensão para um diodo. Um diodo, de certa forma, age como uma válvula unidirecional para corrente. O diodo não permite que a corrente flua quando a tensão é negativa, mas quando a tensão é positiva e acima de um certo limiar, a corrente flui e aumenta tão rapidamente quanto a tensão aumenta em uma direção.