Experiência 6 - Capacitor e Indutor em Corrento Contínua e Alternada

EXPERIÊNCIA 6 – CAPACITOR E INDUTOR EM CORRENTE CONTÍNUA E
ALTERNADA
1. – INTRODUÇÃO TEÓRICA
1.1 – CAPACITOR
O capacitor é um dispositivo utilizado nos circuitos elétricos que apresenta um comportamento em corrente contínua (CC), diferente do comportamento em corrente alternada (CA). Em corrente contínua após se carregar com
cargas elétricas, permanece carregado até que seja forçado a descarregar-se,
sendo utilizado em circuitos com a finalidade de manter a tensão estável sendo
chamado nessas condições de filtro capacitivo.
1.1.1 – Construção e características
Um capacitor é um dispositivo formado basicamente de placas de material bom condutor, denominadas de armaduras, separadas por um material isolante denominado dielétrico.
1.1.2 – Alguns tipos de capacitores
Capacitores comercialmente disponíveis são especificados pelo dielétrico utilizado e pela forma como é construído (fixo ou variável).
Na prática quando o capacitor é submetido a um campo elétrico, circula
uma pequena corrente pelo dielétrico, conhecido como corrente de fuga. Esta
corrente é geralmente de baixo valor e pode ser considerada desprezível.
Os capacitores cerâmicos são construídos a partir da deposição ou colagem de um metal bom condutor sobre uma cerâmica de elevada constante
dielétrica. Os capacitores cerâmicos de placa são constituídos por uma folha
cerâmica em cuja superfície encontram-se colados os eletrodos.
Os capacitores multicamada são formados por sucessivas folhas de
material cerâmico em cuja superfície encontra-se depositado um metal bom
condutor, tipicamente o paládio ou a platina.
No capacitor de filme plástico, dielétricos de filme plástico como poliéster, separam superfícies metalizadas usadas como placas.
O capacitor de mica consiste de um conjunto de placas dielétricas de
mica alternadas por folhas metálicas condutoras.
O capacitor eletrolítico consiste de duas placas de alumínio separadas
por um eletrólito e um dielétrico formado por uma camada de óxido de alumínio. Este tipo de capacitor possui altos valores de capacitância, na faixa de  F
até F. As correntes de fuga são geralmente maiores do que aos demais tipos
de capacitores. Existem ainda, os capacitores de tântalo, construídos a base
de óxido de tantalita muito utilizados em eletrônica.
Os capacitores variáveis geralmente utilizam o ar como dielétrico e
possuem um conjunto de placas móveis que se encaixam num conjunto de placas fixas. Outro tipo de capacitor variável é o trimmer, formado por duas ou
mais placas separadas por um dielétrico. Um parafuso é montado de forma que
ao apertá-lo, as placas são comprimidas contra o dielétrico reduzindo a distância entre elas e, consequentemente, aumentando a capacitância.
Os valores de capacitância podem ser estampados no capacitor ou indicados por código de cores, como já apresentados para o resistor, entretanto as
faixas podem ter significados diferentes.
1.1.3 – Comportamento do capacitor em corrente contínua
Aplicando-se uma tensão continua nos terminais de um capacitor inicialmente descarregado, a corrente será alta, pois o capacitor se opõe as variações bruscas de tensão. Após essa situação inicial, a corrente diminui gradativamente, pois à medida que o tempo passa, o capacitor se carrega obedecendo a uma função exponencial, até atingir zero, quando estiver totalmente carregado. À medida que a corrente diminui, a tensão nos terminais do capacitor
aumenta exponencialmente até atingir a tensão máxima imposta pela fonte.
Devido a esse comportamento, diz-se que a tensão e a corrente no capacitor
estão defasadas entre si, sendo que a corrente está adiantada da tensão.
1.1.4 – Circuito RC ligado a uma fonte de tensão contínua
A figura abaixo mostra um circuito RC ligado a uma fonte de corrente
contínua. O capacitor no circuito encontra-se descarregado.
Ao ser fechada a chave do circuito, a tensão no capacitor não atingirá o
seu valor máximo instantaneamente. A tensão no circuito aumentará exponencialmente com o tempo e somente após cinco vezes a constante de tempo do
circuito atingirá mais de 99% do valor máximo. A tensão nos terminais do capacitor é calculada por: VC  V .(1  e
t
R .C
).
1.1.5 – Capacitor em corrente alternada
Em corrente alternada o capacitor também age como filtro, pois oferece
uma oposição à passagem da corrente de certas frequências. Essa oposição
denominada reatância capacitiva, que depende além da frequência, da capacitância do capacitor.
1.1.6 – Circuito RC ligado a uma fonte de tensão alternada senoidal
Em corrente alternada o capacitor irá carregar-se ora num sentido e ora
no outro, seguindo as variações da tensão imposta pela fonte de tensão alternada.
Como foi observado para o circuito RC em corrente continua, a corrente
está adiantada da tensão no capacitor. Com a corrente alternada, também será
verificado este fato. Considerando a tensão da fonte senoidal, a corrente no
circuito será cossenoidal. Como seno e cosseno têm diferença angular de 90°,
diz-se que a corrente está adiantada de 90° da tensão.
cos(.t )  .sen(.t  90)
1.1.7 – Reatância capacitiva
O capacitor submetido à tensão alternada com comportamento senoidal
oferece uma oposição à passagem da corrente, denominada reatância capacitiva, calculada pela seguinte expressão: Xc 
Onde:
Xc - é a reatância em ohm (  )
f - é a frequência em hertz ( Hz )
C - e a capacitância em farads ( F )
1
2. . f .C
1.2 – Indutor
O indutor é um dispositivo utilizado nos circuitos elétricos que apresenta
um comportamento em corrente contínua (CC) diferente do comportamento em
corrente alternada (CA). Em corrente contínua produz um campo magnético,
semelhante ao de um imã, sendo utilizado na construção de dispositivos chamados eletroímãs.
1.2.1 – Construção e características
O indutor é um elemento de circuito que armazena energia no campo
magnético produzido pela passagem da corrente elétrica através do condutor
que o forma. O campo magnético gera um fluxo magnético no próprio condutor. Com a variação da corrente, o fluxo também varia e de acordo com a lei da
indução eletromagnética de Faraday, uma força eletromotriz é induzida no
condutor, produzida pela própria corrente que circula pelo condutor. Essa força
eletromotriz é denominada fem autoinduzida. A indutância é o resultado da
fem autoinduzida no condutor.
A indutância é a propriedade de um circuito elétrico se opor a qualquer
variação da corrente. A letra ( L ) é a notação usada para representá-la.
De acordo com a lei de Lenz uma fem autoinduzida se opõe a variação
da corrente que a produziu. A indutância impede mudanças repentinas no circuito, reagindo contra a mudança de amplitude e sentido da corrente.
A indutância de um condutor poderá ser aumentada se enrolarmos o
condutor sob a forma de espira.
Várias espiras formarão uma bobina. O fluxo produzido por uma espira
da bobina induz uma tensão não somente no próprio condutor, mas também
nas espiras adjacentes. A indutância é o parâmetro que relaciona a corrente
elétrica com o fluxo magnético e é uma função das dimensões físicas, do número de espiras da bobina e também do material do núcleo.
Os dispositivos usados para fornecer a indutância num circuito são chamados indutores, bobinas, reatores ou choques. Esses nomes são utilizados
de acordo com a função da indutância no circuito.
1.2.2 – Tipos de indutores
Os indutores podem ser fixos ou variáveis. Os indutores fixos são construídos com fio esmaltado, enrolado ao redor de um núcleo que pode ser de ar,
de ferro-silício ou de ferrite. Ferrite é um composto cerâmico de óxidos metálicos.
O indutor com núcleo de ar é simplesmente constituído pelo enrolamento
do próprio fio e apresenta baixos valores de indutância. Os de ferro-silício e de
ferrite proporcionam valores mais elevados de indutância.
Os indutores variáveis consistem num dispositivo onde o núcleo é móvel,
podendo o valor da indutância ser ajustado dentro de uma faixa especificada.
1.2.3 – Comportamento do indutor em corrente contínua
Aplicando-se uma tensão continua aos terminais de um indutor inicialmente desenergizado, a corrente será nula, pois o indutor se opõe as variações
bruscas de corrente. Após essa situação inicial, a corrente aumenta gradativamente, pois à medida que o tempo passa, o indutor energiza-se obedecendo a
uma função exponencial, até atingir o valor máximo. À medida que a corrente
aumenta, a tensão nos terminais do indutor diminui exponencialmente até atingir zero. Devido a esse comportamento, diz-se que a corrente e a tensão no
indutor estão defasadas entre si, sendo que a tensão está adiantada da corrente.
1.2.4 – Circuito RL ligado a uma fonte de tensão contínua
A figura abaixo mostra um circuito RL ligado a uma fonte de tensão
contínua. O indutor encontra-se desenergizado.
Ao ser fechada a chave do circuito, a corrente no indutor não atingirá o
seu valor máximo instantaneamente. A corrente no circuito aumentará exponencialmente com o tempo e somente após cinco vezes a constante de tempo
do circuito atingirá mais de 99% do valor máximo.
R
t ( )
V
A corrente através do indutor é dada por: i  .(1  e L ) .
R
1.2.5 – Indutor em corrente alternada
Em corrente alternada o indutor oferece uma oposição à passagem da
corrente alternada. Essa oposição é denominada reatância indutiva, que depende da frequência e da indutância do indutor.
1.2.6 – Circuito RL ligado a uma fonte de tensão alternada
Em corrente alternada o indutor será energizado ora num sentido e ora
no outro, seguindo as variações da tensão imposta pela fonte de tensão alternada.
Como foi observado para o circuito RL em corrente continua, a corrente
está atrasada da tensão no indutor, sendo que em corrente alternada, também
será verificado este fato. Considerando a tensão da fonte senoidal a corrente
no circuito será cossenoidal. cos(.t )  .sen (.t  90)
Como seno e cosseno têm diferença angular de 90°, diz-se que a corrente está atrasada de 90° da tensão no indutor.
Devido as frequentes mudanças no sentido do fluxo magnético, o indutor
reage aumentando a oposição às variações de polaridade aplicadas pela fonte
de tensão alternada a corrente do circuito, sendo maior quanto maior for a frequência de variação. Essa oposição é denominada reatância indutiva, que depende da frequência e da indutância do indutor.
1.2.7 – Reatância indutiva
O indutor submetido à tensão alternada com comportamento senoidal
oferece uma oposição à passagem da corrente, denominada reatância indutiva, calculada pela seguinte expressão: X L  2. . f .L
Onde:
X L - é a reatância em ohms (  )
f - é a frequência em hertz ( Hz )
L - é a indutância em henrys ( H )
2. OBJETIVOS


Familiarização do aluno com capacitores e indutores;
Verificação do comportamento em CC e CA desses dispositivos.
3. DESENVOLVIMENTO
3.1 – MATERIAL UTILIZADO


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






Amostras de capacitores;
Osciloscópio de 2 canais;
2 pontas de prova;
Gerador de funções;
Capacímetro digital ou multímetro com a função de capacímetro;
Proto Board;
Multímetro digital;
Indutor de 1,5 mH;
Resistor de 1 kΩ;
Resistor de 220 Ω;
Capacitor de 470 nF;
Fios e cabos de ligação.
3.2 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Utilize os equipamentos, instrumentos e materiais corretamente para evitar danos. Em caso de dúvida, não faça. Chame o professor!
3.2.1 – Identificação do valor nominal para alguns tipos de capacitores
3.2.1.1
– Capacitores cerâmicos
O valor do capacitor é de 3300 pF ou 3,3 nF.
3.2.1.2
– Capacitores de poliéster metalizado
A tabela a seguir, mostra como interpretar o código de cores dos capacitores desse tipo.
No exemplo as 3 primeiras cores são: marrom, preto, laranja, correspondem a 10000pF, equivalendo a 10nF. A cor branca representa a tolerância
de 10% de tolerância e o vermelho, representa a tensão de 250 volts.
3.2.1.3
– Capacitores eletrolíticos
As especificações desse tipo de capacitor estão escritas no invólucro do
componente.
1. Identifique os capacitores da amostra e preencha a tabela com os dados
obtidos.
3.2.2 – Medidas com capacímetro
2. Utilize um capacímetro ou o multímetro como capacímetro selecionando
corretamente a função no instrumento. Utilize um adaptador se necessário.
3. Faça a leitura de cada capacitor e anote no quadro abaixo o valor real, o
valor nominal e a tensão nominal.
valor nominal valor real tensão nominal
C1 
C2 
C3 
C4 
C5 
3.2.3 – Carga e descarga do capacitor
4. Monte o circuito mostrado a seguir no Proto Board.
5. Descarregue o capacitor antes de iniciar. Ligue os terminais com um fio.
6. Ajuste o gerador de funções para onda quadrada.
7. Com o osciloscópio, faça o ajuste no gerador de funções para fornecer
5V pico a pico e frequência de 1kHz.
8. Faça os ajustes necessários de posicionamento da forma de onda na tela do osciloscópio. Coloque a chave AC-GND-DC na posição AC. Meça
a tensão no resistor e no capacitor. Anote as formas de onda e valores
encontrados.
9. Coloque a ponta n°1 na posição A e a ponta n°2 na posição C. O GND
do osciloscópio deve ser ligado na posição B. O sinal do canal 2 deve
ser invertido.
10. Meça a tensão no resistor e no capacitor. Anote as formas de onda e valores encontrados.
11. Compare o resultado com a forma de onda abaixo obtida na simulação
do circuito.
3.2.3 – Defasagem entre tensão e corrente no capacitor
12 Monte o circuito mostrado abaixo no Proto Board com R  1k e
C  470F .
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Descarregue o capacitor antes de iniciar. Ligue os terminais com um fio.
Ajuste o gerador de funções para onda senoidal.
Verifique se o osciloscópio está calibrado.
Com o osciloscópio faça o ajuste no gerador de funções para fornecer
5V pico a pico e frequência de 1 kHz .
Faça os ajustes necessários de posicionamento dos dois canais do osciloscópio.
Coloque a chave AC-GND-DC na posição GND e sobreponha os traços
na tela do osciloscópio e depois coloque a chave na posição AC.
Coloque a ponta n°1 na posição A e a ponta n°2 na posição C. O GND
do osciloscópio deve ser ligado na posição B. O sinal do canal 2 deve
ser invertido.
Meça a tensão no resistor e no capacitor. Anote as formas de onda e valores encontrados.
Verifique a defasagem entre tensão e corrente no capacitor. A corrente é
obtida pela lei de Ohm a partir da tensão sobre o resistor.
3.2.4 – Comportamento do capacitor em função da frequência
22 Ajuste o gerador de funções para onda senoidal. Com o osciloscópio faça o ajuste no gerador de funções para fornecer 5V pico a pico e frequência de 100 Hz .
23 Faça os ajustes necessários de posicionamento dos dois canais do osciloscópio.
24 Coloque a chave AC-GND-DC na posição GND e sobreponha os traços
na tela do osciloscópio e depois coloque a chave na posição AC.
25 Coloque a ponta n°1 na posição A e a ponta n°2 na posição C. O GND
do osciloscópio deve ser ligado na posição B. O sinal do canal 2 deve
ser invertido.
26 Meça a tensão no resistor e no capacitor. Anote as formas de onda e valores encontrados.
27 Varie a frequência de 100 Hz a 5 kHz seguindo a tabela abaixo. Anote
os valores de V R (V ) e VC (V ) .
28 Com os dados, calcule a corrente e a reatância capacitiva do circuito.
29 Monte um gráfico da reatância em função da frequência.
f (Hz ) VR (V ) VC (V )
I
VR
(mA)
R
XC 
VC
()
I
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
2000
3000
4000
5000
3.2.5 – Energização e desernergização do indutor
30 Monte o circuito mostrado a seguir no Proto Board com R  220 e
L  1,5mH .
31 Ajuste o gerador de funções para fornecer uma onda quadrada com 5V
pico a pico e frequência de 10 kHz .
32 Verifique se o osciloscópio está calibrado.
33 Faça os ajustes necessários de posicionamento dos dois canais do osciloscópio.
34 Coloque a chave AC-GND-DC na posição GND e sobreponha os traços
na tela do osciloscópio. Coloque agora a chave na posição AC.
35 Coloque a ponta n°1 na posição A e a ponta n°2 na posição C. O GND
do osciloscópio deve ser ligado na posição B. O sinal do canal 2 deve
ser invertido.
36 Meça a tensão no resistor e no indutor. Anote as formas de onda e valores encontrados.
37 Compare o resultado com a forma de onda abaixo obtida na simulação
do circuito.
3.2.6 – Defasagem entre tensão e corrente no indutor
38 Ajuste o gerador de funções para fornecer uma onda senoidal com 5V
pico a pico e frequência de 1 kHz .
39 Verifique se o osciloscópio está calibrado.
40 Com o osciloscópio faça o ajuste no gerador de funções para fornecer
5V pico a pico e frequência de 1 kHz .
41 Faça os ajustes necessários de posicionamento dos dois canais do osciloscópio.
42 Coloque a chave AC-GND-DC na posição GND e sobreponha os traços
na tela do osciloscópio. Coloque a chave na posição AC.
43 Coloque a ponta n°1 na posição A e a ponta n°2 na posição C. O GND
do osciloscópio deve ser ligado na posição B. O sinal do canal 2 deve
ser invertido.
44 Meça a tensão no resistor e no capacitor. Anote as formas de onda e valores encontrados.
45 Verifique a defasagem entre tensão e corrente no indutor. A corrente é
obtida pela lei de Ohm a partir da tensão no resistor.
3.2.7 – Comportamento do indutor em função da frequência
46 Com o osciloscópio faça o ajuste no gerador de funções para fornecer
5V pico a pico e frequência de 100 Hz para função senoidal.
47 Faça os ajustes necessários de posicionamento dos dois canais do osciloscópio.
48 Coloque a chave AC-GND-DC na posição GND e sobreponha os traços
na tela do osciloscópio; depois coloque a chave na posição AC.
49 Varie a frequência de 100 Hz a 5 kHz seguindo a tabela abaixo. Anote
os valores de V R (V ) e V B (V ) .
50 Com os dados, calcule a corrente e a reatância indutiva do circuito.
51 Monte um gráfico da reatância em função da frequência.
f (Hz ) VR (V ) VB (V )
I
VR
(mA)
R
XL 
VB
()
I
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
2000
3000
4000
5000
52 Organize todo o material fornecido em seu local de trabalho.
53 Realize uma pesquisa com sua equipe de trabalho no laboratório sobre
o assunto do experimento e juntamente com os dados ou informações
obtidas, elabore um relatório da aula prática.