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 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.
#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/>
#:[[Arquivo:CircuitoRC.png]]
#Selecione o '''canal A''' do módulo '''Analog Devices M1K''' para '''Gerar Tensão/Medir Corrente''' e o '''canal B''' para '''Medir Voltagem'''.
#:V = 5V; R = 100 k&Omega;; C = 47 &mu;F
#Configure o '''canal A''' para gerar uma '''tensão constante''' com 5 V.
#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'''.
#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'''.
#Desligue a fonte de tensão (0 V) e meça o '''tempo''' para a '''tensão''' sobre o '''capacitor''' chegar próximo a zero.  
#Mude a '''tensão''' gerada pelo '''canal A''' para 0V 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'''.
#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'''.
#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===
===Forma de onda da carga/descarga do capacitor===
#Monte na '''matriz de contatos''' o '''circuito RC''' da figura,  usando o resistor de 1K&Omega; e o capacitor de 1uF: [[Arquivo:lab_circuitoRC2.png|300px]] <ref name=lab_2/>
#Modifique o '''circuito RC''' usando o resistor de 1K&Omega; e o capacitor de 1&mu;F.
#Configure o '''canal A''' para gerar uma '''onda quadrada''' com '''amplitude''' oscilando entre 0V e 5V e '''frequência''' de 100Hz.
#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.
#Observe no '''canal B''' a '''forma de onda''' sobre o '''capacitor'''.
#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'''.
#Aumente a '''frequência''' da '''onda quadrada''' e observe a '''forma de onda''' sobre o '''capacitor'''
#Aumente gradualmente a '''frequência''' da '''onda quadrada''' e observe a '''forma de onda''' sobre o '''capacitor'''.
 
==Fundamentos sobre o Capacitor==
 
'''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)'''.  
 
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.
 
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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