APSA 3 - Física

Escola Técnica Liceal Salesiana de S.to António – Estoril
APSA
3
Física e Química A – 11º ano
Funcionamento do osciloscópio
Um osciloscópio é um aparelho que mostra sinais eléctricos num ecrã. Num osciloscópio tradicional, um feixe de electrões
é emitido por um filamento aquecido dentro de um tubo sem ar e bate no ecrã, produzindo aí uma cintilação. A amplitude
e o período de um sinal podem medir-se directamente no ecrã do osciloscópio. A amplitude indica a tensão do sinal
eléctrico recolhido, pelo que um osciloscópio pode ser utilizado como voltímetro. É possível observar-se simultaneamente
dois sinais que entram por canais diferentes, e compararem-se amplitudes, períodos e desfasamentos (atrasos) no
tempo.
5
10
1
2
4
3
6
6
9.2
9.1
8
7
1 – on/off
2 – brilho 3 – focagem 4 – trigger
5 – botão TIME/DIV
12
11
12
6 – botões VOLT/DIV 7 – conexão canal 1 8 – conexão canal 2
9.1/9.2 – posição vertical (Y) 10 – posição horizontal (X) 11 – selector de canal
12 – botão selector de corrente
No ecrã do osciloscópio, o eixo vertical, designado por Y,
representa a diferença de potencial (ou tensão) e o eixo
horizontal, designado por X, representa o tempo. O
osciloscópio revelou-se um instrumento precioso em
todas as áreas da tecnologia. É muito versátil, pois pode
medir uma grande variedade de fenómenos. Quando
equipado com um conversor (converte uma magnitude
física num sinal eléctrico), é capaz de fornecer, por
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exemplo, c valor da pressão, frequência cardíaca,
potência dos sons etc.
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No osciloscópio medem-se tensões em circuitos com correntes contínuas (sigla DC, do inglês direct current), ou tensões
variáveis no tempo como nos circuitos com corrente alternada (sigla AC, do inglês alternatíng current) usada em nossas
casas.
Uma fonte de tensão é ligada a um canal do osciloscópio. Devido à tensão aplicada, o feixe de electrões do osciloscópio
é puxado para cima ou para baixo. Maior afastamento em relação à linha inicial significa uma maior tensão aplicada. A
escala da tensão é controlada por um botão com a indicação VOLTS/DIV, que indica o valor
da tensão correspondente à maior divisão da escala vertical do ecrã. Por exemplo, se o botão
se encontrar em 10 mV e a deflexão vertical for de 4,2 divisões, a tensão será:
tensão = número de divisões na escala vertical x tensão/divisão
tensão =4,2 x 10 mV = 42 mV
Note que, para se medir uma tensão, a ligação entre a fonte de tensão e o osciloscópio tem de ser feita em paralelo.
Como determinar a frequência, f, de um sinal observado no osciloscópio? Após estabilizar um sinal no ecrã, podemos
medir um intervalo de tempo a partir da escala horizontal e do botão BASE DE TEMPO do
osciloscópio (TIME/DIV), que indica o tempo que o feixe de electrões demora a percorrer
a maior divisão da escala horizontal (pode ser expresso em s, ms ou s). O tempo medese da seguinte forma:
tempo = número de divisões na escala horizontal x tempo/divisão
Por exemplo, se a dois ciclos completos da onda corresponderem 5 divisões na escala
horizontal e base de tempo indicar 2 ms/div, o tempo é 5 x 2 ms = 10 ms. Este é o tempo de dois ciclos completos, isto é,
dois períodos. Logo, T = 5 ms e f = 200 Hz.
A expressão matemática para um sinal sinusoidal observado no ecrã do osciloscópio é dada por:
U = Umax sen (wt)
ou
U = Umax sen(2f t)
Medição de correntes contínuas e alternadas
Ao ligar-se uma pilha ou uma fonte de tensão contínua ao osciloscópio, deve seleccionar-se DC e observa-se que linha
luminosa "salta" verticalmente de forma proporcional ao valor da tensão.
No caso de se pretender caracterizar uma tensão variável no tempo (corrente alternada), irá surgir, em vez de uma linha
horizontal, um linha de forma sinusoidal cuja amplitude corresponde à tensão máxima, Umax.. Por vezes torna-se cómodo
medir a tensão pico a pico, Upp , isto é do máximo ao mínimo.
=
√
ou
=
√
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O valor da tensão eficaz, Uef, (que seria a medida por um voltímetro) é dada pela expressão:
Questão 1
Considere o sinal que se segue que corresponde a uma corrente alternada.
1-
Meça o período e a amplitude e escreva a função matemática para o sinal.
2-
Determine o valor da tensão eficaz. Que valor esperaria encontrar se medisse a tensão desta corrente com um
voltímetro?
Questão 2
O osciloscópio analógico, inventado em 1897 por Ferdinand Braun, é um dos instrumentos de medida mais importantes
e versáteis utilizados em Física. Permite estudar um sinal eléctrico e o modo como varia com o tempo. É indispensável
em qualquer tipo de laboratório e em situações tão diversas como o diagnóstico médico, a mecânica de automóveis, a
prospecção mineral, etc. O elemento básico de um osciloscópio é o tubo de raios catódicos, cuja superfície interna é
impregnada de uma substância fluorescente que emite luz quando bombardeada por um feixe de electrões (raios
catódicos).
O instrumento mecânico ideal para a produção de som com uma
única frequência bem definido é o diapasão. O diapasão utilizado
pelos músicos para a afinação de instrumentos possui a
frequência padrão de 440 Hz, que corresponde à da nota lá da
harmónica fundamental da escala média de um piano, mas
existem diapasões que produzem sons com valores de frequência
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diferentes deste.
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Pretende-se comparar a frequência do som emitido por um diapasão-padrão (diapasão 1, com frequência f
1
= 440 Hz)
com a frequência (próxima) de um outro diapasão (diapasão 2). Para o efeito, dispomos de um osciloscópio e de dois
microfones, que estão colocados junto de cada um dos diapasões e suficientemente distantes um do outro. O microfone
(M1), próximo do diapasão-padrão (D1), é ligado à entrada Y1 do osciloscópio, sendo o outro microfone (M2) ligado à
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entrada Y2.
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Questão 3
1- Na comunicação verbal a curtas distâncias, as cordas vocais vibram, produzindo, em geral, sons complexos.
Relativamente a este tipo de sons, seleccione a opção que completa correctamente a frase seguinte.
Os sons produzidos pelas cordas vocais...
(A) ... provocam o movimento das partículas do ar na direcção perpendicular à sua propagação.
(B) ... têm uma frequência inferior à frequência de vibração dessas cordas vocais.
(C) ... podem ser expressos pela função A sin(ω t).
(D) ... são uma sobreposição de sons harmónicos.
2- Com um microfone ligado a um osciloscópio é possível visualizar as ondas sonoras. Represente na figura a forma
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aproximada do som “AAAAA”.
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Questão 4
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Questão 5
A expressão seguinte caracteriza um sinal observado no ecrã do osciloscópio:
U = 6,5 sen (1 x 103  t)
(SI)
1- Determine o valor da amplitude máxima do sinal;
2- Determine o valor do período do sinal.
3- Sabendo que a base de tempo foi regulada para 0,5 ms/divisão e a escala vertical para 2 V/divisão, faça um esboço da
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imagem que é de prever no ecrã do osciloscópio.
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