Laboratorio: Capacitores e Circuitos RC: mudanças entre as edições

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==Procedimentos Práticos==
==Procedimentos Práticos==
===Tempo de carga/descarga do capacitor===
===Tempo de carga/descarga do capacitor===
#Identifique os '''resistores''' e '''capacitores''' a serem utilizados no experimento. Observe que os '''capacitores eletrolíticos''' tem polaridade, portanto, devem ser montados no circuito considerando os terminais positivo e negativo.
#Monte na '''matriz de contatos''' o '''circuito RC''' da figura, usando o resistor de 100K&Omega; e o capacitor de 47uF: [[Arquivo:lab_circuitoRC1.png|300px]] <ref name=lab_2/>
#Selecione o '''canal A''' do módulo '''Analog Devices M1K''' para '''Gerar Tensão/Medir Corrente''' e o '''canal B''' para '''Medir Voltagem'''.
#Configure o '''canal A''' para gerar uma '''tensão constante''' com 5 V.
#Conecte o fio do '''canal A''' no terminal desconectado do '''resistor''' de 100K&Omega; enquanto observa o crescimento da '''tensão''' medida sobre o '''capacitor''', mostrada no '''canal B'''. O crescimento da tensão sobre o capacitor indica que o mesmo está sendo '''carregado'''.
#Mude a '''tensão''' gerada pelo '''canal A''' para 0V e meça o '''tempo''' para a '''tensão''' sobre o '''capacitor''' chegar próximo a zero.
#Mude a '''tensão''' gerada pelo '''canal A''' para 5V e meça o '''tempo''' para a '''tensão''' sobre o '''capacitor''' chegar próximo 5V. Repita quantas vezes achar necessário para ter uma média do '''tempo de carga/descarga''' do '''capacitor'''.
===Forma de onda da carga/descarga do capacitor===
#Monte no '''SimulIDE''' um circuito com uma fonte de '''tensão constante''' com 5 V alimentando um circuito RC série, com resistor de 100 k&Omega; e capacitor de 47 &mu;F.
#Monte no '''SimulIDE''' um circuito com uma fonte de '''tensão constante''' com 5 V alimentando um circuito RC série, com resistor de 100 k&Omega; e capacitor de 47 &mu;F.
#:[[Arquivo:CircuitoRC.png]]
#:[[Arquivo:CircuitoRC.png]]
#:V = 5V; R = 100 k&Omega;; C = 47 &mu;F
#:V = 5V; R = 100 k&Omega;; C = 47 &mu;F
#Utiliza o osciloscópio para observar Observe no '''canal B''' a '''forma de onda''' sobre o '''capacitor'''.
#Utilize o osciloscópio para observar o crescimento da tensão sobre o '''capacitor''' no momento em que a fonte de tensão for ligada. O crescimento da tensão sobre o capacitor indica que o mesmo está sendo '''carregado'''.
#Aumente a '''frequência''' da '''onda quadrada''' e observe a '''forma de onda''' sobre o '''capacitor'''
#Desligue a fonte de tensão (0 V) e meça o '''tempo''' para a '''tensão''' sobre o '''capacitor''' chegar próximo a zero.  
#Ligue novamente a fonte de tensão (5 V) e meça o '''tempo''' para a '''tensão''' sobre o '''capacitor''' chegar próximo 5V. Repita quantas vezes achar necessário para ter uma média do '''tempo de carga/descarga''' do '''capacitor'''.
#Confira se o valor do tempo de carga/descarga do capacitor está de acordo com o valor teórico. No caso, C = 47 μF e R = 100 KΩ a '''constante de tempo''' calculada é de 4.7 segundos. Desta forma, a '''carga/descarga''' do capacitor fica em cerca de 23,5 segundos.


==Fundamentos sobre o Capacitor==
===Forma de onda da carga/descarga do capacitor===
 
#Modifique o '''circuito RC''' usando o resistor de 1K&Omega; e o capacitor de 1&mu;F.
'''Capacitores''' são dispositivos que '''armazenam energia elétrica''' em um '''campo elétrico'''. Permitem maior fluxo de corrente a medida que a frequência do sinal elétrico aumenta. Para um '''sinal senoidal''', a '''fase da corrente''' é '''adiantada''' de '''90 graus''' em relação a '''tensão'''. A unidade de '''capacitância''' é o '''Faraday (F)'''.
#Substitua a fonte de tensão por um '''gerador de funções''', configurado para gerar uma '''onda quadrada''' com '''amplitude''' oscilando entre 0V e 5V e '''frequência''' de 100Hz.
 
#Utilize o canal 1 osciloscópio para observar a '''forma de onda''' gerada pelo '''gerador de funções''' e o canal 2 para observar a forma de onda sobre o '''capacitor'''.
Um '''capacitor''' é formado por duas '''placas condutoras''' separadas por um  material isolante, chamado '''dielétrico'''. A '''carga''' de um '''capacitor''' é criada pela acumulação ou depleção de elétrons livres em cada placa condutora, produzindo um '''campo elétrico''' no '''dielétrico''', e, por consequência, produzindo um '''tensão elétrica''' entre as placas.
#Aumente gradualmente a '''frequência''' da '''onda quadrada''' e observe a '''forma de onda''' sobre o '''capacitor'''.
 
Uma '''carga elétrica''' (Q) sobre um '''capacitor''', produz uma '''tensão''' (V) entre as placas, em função da '''capacitância''' (C), segundo a relação:
 
<math>V (Voltz) = \frac{Q (Coulomb)}{C (Faraday)}</math>
 
ou, isolando a carga elétrica:
 
<math>Q = C V</math>
 
A '''corrente elétrica''' é definida como a quantidade de '''carga elétrica''' por unidade de '''tempo'''. É expressa matematicamente como a '''derivada da carga elétrica no tempo''':
 
<math>I(t) =  \frac{dQ(t)}{dt} = C \frac{dV(t)}{dt}</math>
 
ou seja, a '''corrente''' no capacitor é função da '''derivada da tensão no tempo''', multiplicada pela capacitância.  
 
A derivada indica que a corrente elétrica no capacitor é maior quanto maior for a variação da tensão. Desta forma, para uma '''tensão senoidal''', quanto maior a '''frequência''', maior o fluxo da '''corrente'''. Para uma '''tensão constante''', a '''corrente''' no capacitor é '''zero'''.
 
==Fundamentos sobre o Circuito RC==
 
Num '''circuito RC''' série, quando um '''degrau de tensão''' é aplicado, inicialmente toda '''tensão''' aparece toda sobre o '''resistor''', pois o '''capacitor''' está descarregado e a tensão sobre ele é zero. A corrente inicial que fluirá no circuito será dada pela '''Lei de Ohm''' (I = V / R) e vai ser responsável por iniciar a '''carga''' do '''capacitor'''. A medida que o '''capacitor''' vai sendo '''carregado''', a '''tensão''' sobre ele vai aumentando, diminuindo a tensão resultante sobre o '''resistor''', segundo a '''[[Eletricidade Básica|Lei de Kirchhoff das Malhas]]''', e, consequentemente, diminuindo também a '''corrente''' no circuito. Quanto o '''capacitor''' se '''carregar''' totalmente, a tensão de 5V estará toda sobre o capacitor e a '''corrente''' no circuito será reduzida a '''zero'''.  
 
[[Arquivo:CircuitoRC.png]]
 
O processo de '''carga do capacitor''' segue uma curva que '''desacelera exponencialmente''' a medida que a tensão sobre o capacitor aumenta. A '''taxa de crescimento''' da '''carga do capacitor''' depende do produto '''RC''', chamado de '''constante de tempo''' (segundos) e é representado pela letra grega tau (&tau;). Numa '''constante de tempo''' o '''capacitor''' é carregado com '''63%''' de sua '''carga'''. Em cinco '''constantes de tempo''' a carga do capacitor chega a 99.3%. O tempo da carga total tende ao infinito, entretanto, na prática, considera-se que em cinco '''constantes de tempo''' o capacitor está carregado.
 
Num '''circuito RC''' série, a '''tensão sobre o capacitor''' (V<sub>C</sub>), em função da tensão total aplicada (V<sub>T</sub>) é dada pela expressão:
 
<math>V_C(t) = V_T (1 - e^{-t/\tau}) </math>
 
No primeiro circuito, a '''constante de tempo''' era de (100 KΩ)*(47 μF) = 4.7 segundos, fazendo com que a '''carga/descarga''' total do capacitor fosse de cerca de 23,5 segundos.


==Observações e Conclusões==
==Observações e Conclusões==
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*Um '''circuito RC''' é caracterizado pelo '''produto RC''', chamado '''constante de tempo'''.
*Um '''circuito RC''' é caracterizado pelo '''produto RC''', chamado '''constante de tempo'''.
*Em '''uma constante de tempo''' o capacitor é carregado com '''63%''' da tensão aplicada sobre o circuito RC.
*Em '''uma constante de tempo''' o capacitor é carregado com '''63%''' da tensão aplicada sobre o circuito RC.
*Comumente se aceita que o '''capacitor''' está '''totalmente''' carregado em '''cinco constantes de tempo'''.
*Comumente se aceita que o '''capacitor''' está '''totalmente''' carregado em '''5 constantes de tempo'''.


==Referências==
==Referências==

Edição atual tal como às 19h40min de 10 de setembro de 2021

Laboratório: Introdução aos Capacitores e Circuitos RC

Objetivos

Conhecer os capacitores, que são dispositivos que armazenam energia elétrica em um campo elétrico.

Conhecer o princípio de funcionamento dos circuitos RC de forma a poder explicar como um capacitor é carregado quando um degrau de tensão é aplicado em seus terminais.

Equipamento e Materiais

Equipamentos
  • Bancada de Eletrônica com fonte de tensão, gerador de funções, multímetro e osciloscópio.

ou

  • Simulador de circuitos eletrônicos: SimulIDE.
  • Componentes Eletrônicos:
    • Resistores: 1kΩ e 100KΩ
    • Capacitores: 1uF e 47uF

Procedimentos Práticos

Tempo de carga/descarga do capacitor

  1. Monte no SimulIDE um circuito com uma fonte de tensão constante com 5 V alimentando um circuito RC série, com resistor de 100 kΩ e capacitor de 47 μF.
    V = 5V; R = 100 kΩ; C = 47 μF
  2. Utilize o osciloscópio para observar o crescimento da tensão sobre o capacitor no momento em que a fonte de tensão for ligada. O crescimento da tensão sobre o capacitor indica que o mesmo está sendo carregado.
  3. Desligue a fonte de tensão (0 V) e meça o tempo para a tensão sobre o capacitor chegar próximo a zero.
  4. Ligue novamente a fonte de tensão (5 V) e meça o tempo para a tensão sobre o capacitor chegar próximo 5V. Repita quantas vezes achar necessário para ter uma média do tempo de carga/descarga do capacitor.
  5. Confira se o valor do tempo de carga/descarga do capacitor está de acordo com o valor teórico. No caso, C = 47 μF e R = 100 KΩ a constante de tempo calculada é de 4.7 segundos. Desta forma, a carga/descarga do capacitor fica em cerca de 23,5 segundos.

Forma de onda da carga/descarga do capacitor

  1. Modifique o circuito RC usando o resistor de 1KΩ e o capacitor de 1μF.
  2. Substitua a fonte de tensão por um gerador de funções, configurado para gerar uma onda quadrada com amplitude oscilando entre 0V e 5V e frequência de 100Hz.
  3. Utilize o canal 1 osciloscópio para observar a forma de onda gerada pelo gerador de funções e o canal 2 para observar a forma de onda sobre o capacitor.
  4. Aumente gradualmente a frequência da onda quadrada e observe a forma de onda sobre o capacitor.

Observações e Conclusões

  • Capacitores armazenam energia elétrica.
  • Quando capacitores estão sendo carregados usando uma fonte de tensão em série com um resistor, a taxa da carga do capacitor desacelera exponencialmente.
  • Um circuito RC é caracterizado pelo produto RC, chamado constante de tempo.
  • Em uma constante de tempo o capacitor é carregado com 63% da tensão aplicada sobre o circuito RC.
  • Comumente se aceita que o capacitor está totalmente carregado em 5 constantes de tempo.

Referências


Evandro.cantu (discussão) 15h39min de 10 de setembro de 2021 (-03)

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