Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação – UNICAMP EE522 - Laboratório Laboratório de Fundamentos Fundamentos Físicos para Engenharia Engenharia Elétrica
Experiência I: Materiais condutores e isolantes
Professor: Peter Jürgen Tatsch
Fabio Mori Pietro Guarinello Cariola Ricieri Akihito Pessinatti Ohashi Matheus Garavaglia Cova
Turma: U
RA: 102162 RA: 108240 RA: 106940 RA: 106849
1)Objetivo: O objetivo deste experimento é observar o comportamento da impedância de materiais condutores e isolantes. 2)Procedimento Experimental: O experimento realizado foi dividido em quatro partes, onde em cada uma delas medimos a resistência e/ou a capacitância de alguns materiais. Dividiremos o relatório por partes, assim como no experimento, para uma melhor compreensão. -Medidas de capacitância:
A intenção dessa montagem era a medida de capacitância com diversos materiais dielétricos. Antes de começarmos o experimento fizemos um teste com um capacitor de valor conhecido para verificarmos a precisão do aparelho de medida e também como exemplo didático para entendermos seu funcionamento. O equipamento de medida usado foi uma ponte de impedâncias, onde ajustamos a impedância interna do instrumento até obter o equilíbrio, assim temos as medidas de capacitância e o fator de dissipação. Após verificarmos a ponte de impedâncias montamos alguns capacitores trocando a folha de material isolante colocada entre duas placas metálicas retangulares, sendo prensadas por duas placas de madeira. Foram realizadas três medidas com três materiais dielétricos diferentes. Os materiais isolantes usados foram: fibra comercial, prespan e prime com mylar. -Medidas VxI em materiais dielétricos:
Nessa montagem usamos uma fonte de alta tensão ligada a dois eletrodos e entre eles foram colocados diversos materiais isolantes, variamos a tensão até que o isolante se rompesse ou até a máxima tensão fornecida pela fonte (5K Volts). A tensão era lida na própria fonte e medimos a corrente que atravessava o isolante com um amperímetro. Fizemos as medidas de 500 em 500 volts, para três tipos de materiais, depois escolhemos um deles e fizemos algumas medidas com o material umedecido para notarmos a diferença na condução de cargas elétricas. Os materiais isolantes usados foram: fibra comercial, prespan e prime com mylar. -Medidas de resistência elétrica:
Nessa parte do experimento usamos um Variac ligado a rede de 110 VCA e sua saída conectada a uma resistência. Os instrumentos de medida são: voltímetro, medindo a tensão sobre o resistor e um amperímetro medindo a corrente que atravessa a resistência. As resistências usadas foram: um resistor de valor conhecido (22k ohms), uma lâmpada incandescente com bulbo e um filamento de lâmpada incandescente sem o bulbo, mergulhada em óleo mineral. No resistor de valor conhecido fizemos poucas medidas por ser uma resistência linear. Na lâmpada com bulbo fizemos medidas de 10 em 10 volts até 80 volts, onde o brilho da lâmpada já era intenso. No filamento sem bulbo fizemos medidas até 50 volts, valor de tensão onde o óleo começa a gerar bolhas gasosas e o filamento começa a faiscar. - Medidas de resistividade de água potável:
Nesse experimento usamos eletrodos de grafite para calcular a resistividade da água. Para isso, variamos a distancia entre os eletrodos, e medimos as suas respectivas correntes.
Sabemos que a corrente elétrica é o fluxo ordenado de elétrons, logo percebemos que ocorreu a hidrólise da água, e seus íons eram os responsáveis por essa corrente. Tal movimento ordenado deve-se ao fato de que o eletrodo positivo atrai os íons OH- e o eletrodo negativo atrai os íons H+.
3)Resultados e Análise: -Medidas de capacitância: Resultados:
Após as medidas feitas em laboratório usamos as seguintes equações para calcular a resistência série equivalente do capacitor e a sua constante dielétrica: Resistência série equivalente: D = 1 / Q = ω R s Cs , Q – fator de qualidade R s resistência série equivalente, na freqüência utilizada Cs – capacitância medida
Assim, usando f = 1KHz e isolando R s, temos que: R s = D / ω Cs
ω = 2pi * 1khz
Constante Dielétrica: C = k ε 0 A / d [Farad], ε0 - permissividade dielétrica do vácuo, em [F.m-1] (8,854187.10-12 F/m) k - constante dielétrica ou permissividade relativa do material ( εr ), adimensional A - área das placas condutoras, em [ m2] d - distância entre as placas, em [ m]
Rearranjando os termos, temos: k=
d*C (A * ε0)
Para todas as montagem as placas condutoras foram de mesmo tamanho: A = 776,83 cm² = 0,0777 m² Capacitor de Teste: C = 20,8 nF D = 0,02 Rs = 153 ohms k = não é possível calcular, pois não temos todos os dados necessários.
Capacitor de Fibra Comercial (d = 0,26mm): C = 8,09 nF D = 0,26 Rs = 5,115 K-ohms k = 3,06 Capacitor de Prespan (d = 0,19mm): C = 10,02 nF D = 0,21 Rs = 3,335 K-ohms k = 2,77 Capacitor de Pine com Mylar (d = 0,30mm): C = 6,83 nF D = 0,17 Rs = 3,961 K-ohms k = 2,98 Análise:
Definimos a constante dielétrica como uma propriedade dos materiais isolantes que quantifica a capacidade de impedir a passagem de cargas elétricas. Percebemos que a Fibra Comercial teve o maior valor de constante dielétrica, seguida do Pine com Mylar e do Prespan. Os dados obtidos podem conter alguns erros devido a pressão colocada entre as placas não ser sempre a mesma. -Medidas VxI em materiais dielétricos: Resultados:
Fazendo primeiramente um teste com o ar como dielétrico e depois os outros materiais:
Ar (d = 1mm): Tensão (KV) 1,9
Corrente (mA) 0,777
Fibra Comercial (d = 0,26mm): Tensão (KV)
Corrente (µA)
0,5
0,7
1,0
2,2
1,5
4,8
2,0
8,2
2,5
12,0
3,0
17,2
3,5
24,3
Figura 1: Gráfico I x V para Fibra Comercial
Prespan (d = 0,19mm): Tensão (KV)
Corrente (µA)
0,5
0,5
1,0
1,7
1,5
3,9
2,0
6,8
2,5
10
3,0
15,0
3,5
24,4
4,0
40
Figura 2: Gráfico I x V para Prespan
Prime com Mylar (d = 0,30mm): Tensão (KV)
Corrente (µA)
0,5
0,1
1,0
0,1
1,5
0,1
2,0
0,1
2,5
0,1
3,0
0,1
3,5
0,1
4,0
0,1
4,5
0,1
5,0
0,1
Figura 3: Gráfico I x V para Prime com Mylar
Fibra Comercial Umedecida: Tensão (KV)
Corrente (mA)
0,1
1,2
0,15
2,2
Análise:
(Obs: decidimos fazer os gráficos I x V ao invés de fazê-lo V x I para melhor visualização, pois estávamos variando a tensão e observando a corrente) De acordo com os dados e os gráficos obtidos e comparando com os valores dos fatores de dissipação vemos que quanto menor a inclinação dos gráficos I x V (maior a resistência), temos uma menor dissipação, o que faz sentido, pois Potência dissipada = V² / R. Percebemos também que quanto menor o fator de dissipação do material, maior será a tensão de ruptura. Medindo a corrente que passa pelo papel submetido a uma tensão próxima a de ruptura verificarmos que no começo a corrente flutua, mas depois ela tende a se estabilizar. Comparando as características I x V da Fibra Comercial seca e umedecida percebemos que o papel umedecido tem uma tensão de ruptura muito menor que a do papel seco e que a corrente que atravessa o papel umedecido é muito maior que a corrente que atravessa o papel seco. Vimos que não é possível medir diretamente a tensão entre os eletrodos com um multímetro, pois esta é muito elevada, na ordem de Kilo-volts. Uma maneira de medir essa tensão é colocar um resistor linear, de valor conhecido, em paralelo com os eletrodos e medir a corrente que passa por essa resistência. Sabendo o valor da corrente e do resistor, pela Lei de Ohm, descobrimos a tensão. O valor da resistência deve ser alto, para não puxar uma corrente muito grande, que também não poderá ser medida pelo multímetro. -Medidas de resistência elétrica: Resultados:
Seguem as tabelas de tensões e correntes de cada resistência: Resistor 22K-ohms 10%: Tensão (V)
Corrente (mA)
10
0,41
20
0,86
30
1,32
40
1,82
50
2,26
