A Carga e Descarga de Capacitores

Física Experimental 3

Experimento 3 – Carga e Descarga de Capacitores 10/08/2021

Participantes:

Introdução:

O capacitor tem como função principal armazenar cargas elétricas, e com isso, armazena também energia eletrostática através de um campo elétrico.

Capacitores são utilizados para acumular carga em um circuito, podendo ser formados por duas placas condutoras paralelas, esféricas ou cilíndricas com um material dielétrico entre elas. Para que as placas sejam colocadas muito próximas sem interação uma com a outra, é necessário um material dielétrico (isolante) entre dois condutores.

A energia é armazenada em um capacitor através da diferença de potencial realizado pelo trabalho da energia potencial elétrica [1].

A Capacitância é a característica física de um capacitor, que representa a constante de proporcionalidade entre a carga obtida e a diferença de potencial aplicada.

Objetivos:

Verificar tempos característicos na carga e descarga de um capacitor, familiarizando-se com o uso do osciloscópio na observação de fenômenos transitórios.

Materiais:

Para elaboração do presente relatório, utilizou-se:

1. Roteiro em PDF;
2. Gravação do experimento em vídeo;
3. Dados extraídos e organizados em planilhas no Microsoft Excel;
4. Replicação do experimento por simulação no Tinkercad; Na gravação, encontravam-se montados os seguintes materiais:

1. Um Protoboard;
2. Gerador de sinal;
3. Osciloscópio;
4. Capacitor (C = 0,47 μF); e
5. Resistor de 1 kΩ e 0,25W.

Procedimentos:

Individualmente, cada integrante do grupo se apropriou do roteiro e assistiu às gravações do experimento para extração dos dados. Objetivando treinamento, a

montagem do circuito elétrico do experimento e alguns dos procedimentos da gravação em vídeo foram replicados no Tinkercad (Simulação).

O primeiro vídeo permitiu ao grupo observar o funcionamento básico de um osciloscópio e as possibilidades de ajustes de posição horizontal e vertical, bem como ajustes de escala dos eixos x e y do sinal gerado por uma ponta de prova. Em seguida, o roteiro apresentou um gerador de sinais capaz de produzir sinais eletrônicos senoidais, quadrados, dente-de-serra, dentre outros (sem demonstração em vídeo).

O experimento foi organizado em duas partes:

Parte 3.1 – Osciloscópio e Gerador de Sinais; e

Parte 3.2 – Medição de Carga e Descarga no Capacitor.

1. – Osciloscópio e Gerador de Sinais

Esta etapa consistiu na familiarização com o osciloscópio e com o gerador de sinais, permitindo observar no vídeo gravado uma onda quadrada gerada pela ponta de prova. O examinador do vídeo inicialmente ligou o osciloscópio que permite verificar que está ligado pelo acendimento da luz vermelha (power). Em seguida, fez um pequeno ajuste na posição vertical do sinal, o centralizando no visor e acionou o seletor de tipo de sinal para GND – opção que abre a passagem do sinal e entrada à terra para o amplificador vertical, provendo a linha de base zero, posição que pode ser usada como referência quando estiver efetuando a medição da corrente alternada (AC) ou contínua (DC).

Em seguida, colocou a ponta de prova na fonte de onda quadrada referência, permitindo se observar no visor a formação do sinal conforme observado na figura 1.

[pic 1]

Figura 1. Recorte do vídeo em que uma fonte quadrada de referência foi alimentada pela ponta de prova, gerando o sinal observado no visor.

Em seguida, o examinador mostrou a possibilidade de ajuste vertical do sinal, mostrando, na sequência, que o osciloscópio também permite ajuste horizontal do sinal. Posteriormente, ajustou a escala de volts por divisão (volts/div) que estava em aproximadamente 1 volt por 2,5 divisões para 1 volts por 5 divisões (Figuras 2 A e B). Outras modificações na escala de volts/div foram indicadas.

Analogamente, ajustes na escala do tempo em segundos por divisão (sec/div) foram demonstradas no vídeo, nos permitindo observar uma redução de escala que

estava em 1 segundo para 2,5 divisões em uma escala de 1 segundo para 1 divisão (Figura 3). Reduções e aumentos sucessivos na escala de tempo foram demonstradas em seguida.

Em outro vídeo, detalhes do ajuste nas escalas x e y foram apresentados, permitindo se observar diferentes arranjos de escala para se observar um sinal de amplitude (V e múltiplos) em função do tempo (s e múltiplos).

Em um terceiro vídeo, podemos observar a conexão do osciloscópio com o gerador de sinais, acompanhando variação da amplitude, frequência, simetria e forma de onda produzidos no gerador de sinais e modificados no visor do osciloscópio. O primeiro sinal foi senoidal, conforme indicado na figura 4. Podemos constatar que o sinal podia ser modificado tanto na fonte (gerador), quanto no visor do osciloscópio. Na sequência, o examinador modificou o sinal gerado para um sinal quadrado,

variando amplitude e frequência.[pic 2]

Figura 2. Recortes do vídeo indicando o ajuste na escala de 1 volts para 2,5 divisões (A) e de 1 volts para 5 divisões (B).

[pic 3]

Figura 3. Recorte do vídeo imediatamente após a mudança de escala de 1 segundo por 2,5 divisões para 1 segundo por divisão.

[pic 4]

Figura 4. Recorte no vídeo, mostrando a produção de um sinal elétrico senoidal pelo gerador e visualizado no visor do osciloscópio.

O último sinal gerado foi em formato de serra, quando novamente o examinador mostrou como ajustar o sinal tanto no gerador, quanto no visor do osciloscópio.

1. – Medição de Carga e Descarga no Capacitor

Nessa parte do experimento, fomos orientados a montar o circuito indicado na figura 5. A ideia foi variar a frequência no gerador de sinal até obter uma onda similar à apresentada na figura 6.[pic 5]

Figura 5. Circuito RC usado na observação da carga e descarga do capacitor C. R = 1 kΩ e C = 0,47 μF.

O roteiro chama atenção a notar a onda formada no osciloscópio e medir o tempo de meia-vida (t1/2) e o tempo de carga e descarga do capacitor, comparando os valores obtidos com os valores calculados.

[pic 6]