Simulador Computacional de Circuitos Eletrônicos para o

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Simulador Computacional de Circuitos Eletrônicos para o
Faculdade Integrada da Grande Fortaleza – FGF
PROGRAMA ESPECIAL DE FORMAÇÃO PEDAGÓGICA DE DOCENTES
NA ÁREA DE LICENCIATURA EM FÍSICA
Simulador Computacional de Circuitos Eletrônicos
para o Ensino de Fı́sica
Gladstone de Alencar Alves
Monografia
Fortaleza - CE
Setembro de 2011
Gladstone de Alencar Alves
Simulador Computacional de Circuitos
Eletrônicos para o Ensino de Fı́sica
Monogragia apresentado ao Programa Especial de Formação Pedagógica de Docentes na
Área de Licenciatura em Fı́sica, da Faculdade
Integrada da Grande Fortaleza, como requisito
necessário para a Graduação em Licenciatura
em Fı́sica.
Orientador: Mestre em Fı́sica Edi Rozembergh
Brasileiro da Silva Brandão
Fortaleza - CE
Setembro de 2011
Monografia submetida ao Programa Especial de Formação Pedagógica de
Docentes na Área de Licenciatura em Fı́sica, como partes dos requisitos necessários à obtenção do grau de Licenciado em Fı́sica, outorgado pela Faculdade Integrada da Grande Fortaleza - FGF.
Gladstone de Alencar Alves
Professor Mestre em Fı́sica Edi Rozembergh Brasileiro da Silva Brandão
Nota Obtida:
Monografia aprovada em:
Agradecimentos
A meu orientador Professor Mestre em Fı́sica Edi Rozembergh Brasileiro da
Silva Brandão e a todos os professores da área Contextual e Estrutural da
FGF por terem me dado esta oportunidade.
À minha esposa, Thallyta Alencar, por todo o carinho e apoio.
Aos amigos da Graduação da FGF , principalmente Jeová, Cı́cera Raquel,
Luiz Kildery e José Cleiton.
Ao Programa de Graduação da FGF para minha formação.
Resumo
Diante do contexto em que se encontra o ensino de Fı́sica, professores e
principalemente alunos sentem dificuldades no aprendizado de Fı́sica e sua
relação com a linguagem matemática. O ensino tradicional, onde os professores de Fı́sica buscam como único recurso em sala a aula expositiva, utilizando
apenas quadro branco, pincel e apagador, e usando de meios abstratos para
tentar explicar algum modelo que venha representar alguma ideia Fı́sica.
Além disso, os alunos não despertam em nenhum momento interesse pela
disciplina, já que a disciplina não é vista de forma aplicativa no cotidiano, ou
seja, os alunos não são capazes de vislumbrar as aplicações das ideias fı́sicas
na sua realidade. O passo importante que devemos fazer, como professores
da disciplina de Fı́sica é buscarmos novas ferramentas de ensino de Fı́sica,
para que os alunos não atentem somente a um mundo puramente abstrato,
ou só matemático, mas que possam compartilhar das novas formas de ensino. Esse trabalho tem o intuito de mostrar o uso de uma nova ferramenta
conhecida como Eletronics Workbench 5.0 (EWB), um simulador computacional de circuitos elétricos, que dentro da realidade das escolas, sejam elas
públicas ou particulares, não dispõem de recursos para montagem de laboratório, e também possam evitar certos danos, como perda de peças, queima
do material, e etc.
Sumário
1 Introdução
1
2 Ferramenta Virtual para o Ensino de Circuitos Elétricos
4
2.1
Corrente Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2
Circuitos Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2.1
Estudo dos resistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2.2
Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3
Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Eletronics Workbench 5.0 (EWB)
15
3.1
Multı́metro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2
Gerador de Funções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3
Proposta para Atividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.1
Usando o multı́metro virtual . . . . . . . . . . . . . . . 24
vi
SUMÁRIO
vii
3.3.2
Controle de corrente por diodo
. . . . . . . . . . . . . 25
3.3.3
Usando um osciloscópio para observar a retificação . . 26
3.3.4
Usando diodos em circuitos de corrente alternada . . . 28
3.3.5
Retificação de meia onda . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.6
Retificador de onda completa . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Conclusões
35
Referências Bibliográficas
37
Lista de Figuras
2.1
(a)Associação de resistores em série. (b)Resistor equivalente. . 10
2.2
Associação de resistores em paralelo. . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3
Capacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4
Representação do diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5
Associação de diodos em série. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6
Associação de diodos em paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1
Tela inicial do EWB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2
(a)Ícone para a caixa de componentes (b)Caixa de componentes. 16
3.3
(a)Ícone para a caixa de componentes fonte (b)Caixa de componentes fonte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4
Girar um componente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.5
Conector de fios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
viii
LISTA DE FIGURAS
3.6
ix
(a)Caixa de Propriedade de Resistor (b)Caixa de Propriedades
de Bateria.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.7
Caixa de Diálogo para confirmação de apagar o item selecionado. 19
3.8
Menu Arquivo aberto com a opção Salvar habilitada. . . . . . . 19
3.9
(a)Multı́metro- ı́cone. (b) Multı́metro aberto, (c) Janela de
ajuste do multı́metro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.10 Amperı́metro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.11 Voltı́metro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.12 Ôhmı́metro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.13 Gerador de Funções: Senoidal, Triangular e Quadrada. . . . . 23
3.14 Osciloscópio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.15 Circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.16 Associação de resistores em série. . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.17 Associação de resistores em paralelo. . . . . . . . . . . . . . . 25
3.18 Exemplo de Circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.19 Exemplo de Circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.20 Exemplo de Circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.21 Circuito Corrente Alternado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
LISTA DE FIGURAS
x
3.22 Circuito Corrente Alternado adicionado com o Diodo. . . . . . 29
3.23 Circuito Corrente Alternado com um Diodo e uma Lâmpada. . 30
3.24 Circuito Corrente Alternado com dois Diodos e uma Lâmpada. 30
3.25 Circuito em um novo formato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.26 Circuito em um novo formato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.27 Circuito com capacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.28 O uso do osciloscópio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.29 Retificador de onda completa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.30 Retificador de meia onda completa. . . . . . . . . . . . . . . . 34
Capı́tulo 1
Introdução
Um dos maiores problemas verificado no ensino de Fı́sica nas escolas do
ensino médio e ensino superior é o da realização de experimentos de laboratório. De fato, não basta ao aluno ler sobre as leis e fenômenos fı́sicos,
mas verificar sua validade em ambientes controlados. Isto só é possı́vel em
laboratório e com o uso de instrumentos e supervisão adequada.
Entretanto, dado o custo elevado que as instalações de um laboratório
apresentam, é praticamente inviável e neste contexto que surge a proposta
de um laboratório virtual.
Muito embora existam na atualidade simuladores de altı́ssimo grau de
detalhamento e sofisticação tecnológica, como o Eletronics Workbench 5.0
(EWB), é possı́vel simular um Laboratório de Eletrônica completo. Os motivos para a utilização do EWB foram o custo nulo para a sua aquisição e a já
existência de computadores nas escolas do ensino médio e também no ensino
superior.
O simulador EWB realiza simulações de circuitos desde o nı́vel mais
básico até o mais avançado, atendendo assim, a lei de Diretrizes e Bases
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
2
da Educação no Art.36, parágrafo 10, que recomenda a inserção de Tópicos
avançados no ensino médio. Observa-se ainda que os ajustes e configurações
dos instrumentos gerados são fiéis aos encontrados nos instrumentos reais.
A aplicação de simuladores como ferramentas didáticas de apoio à
educação tecnológica no ensino médio e superior têm demonstrado ser uma
das principais soluções para a viabilização de demonstrações ensaios práticos.
Os simuladores de dispositivos eletro-eletrônicos, já apresentam avançado desenvolvimento tecnológico para tal aplicação.
O EWB é um simulador eletrônico, que permite construir e simular circuitos eletrônicos dentro da área analógica e digital, sendo de grande utilidade
para os estudantes de eletrônica.
Possui uma interface de fácil acesso e compreensão, substituindo com
muitas vantagens as experiências em laboratórios convencionais, uma vez
que, não existe o risco de danificar equipamentos destinados aos ensaios e
medidas de circuitos ou componentes.
Sua vasta biblioteca permite simular experiências em condições ideais
e reais, pois os valores e parâmetros podem ser modificados de acordo com
as necessidades do projeto.
Existem versões deste programa para ope-
rar em ambiente DOS e WINDOWS, sendo que neste curso abordaremos a
versão para WINDOWS, o EWB5.
Esta monografia tem por objetivo propor para o ensino médio e superior,
dentro das competências e habilidades exigidas pelos PCNs e instituições de
ensino superior, como Universidades, Faculdades e outros, a utilização de
um Laboratório Virtual de Eletrônica. Para alcançar tal objetivo fizemos
uso do software simulador Eletronics Workbench, versão 5 (EWB5). Aqui,
nos concentramos especificamente nas competências e habilidades a serem
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
3
desenvolvidas em Fı́sica e destacamos as que seguem:
1. Compreender enunciados que envolvam códigos e sı́mbolos fı́sicos.
2. Utilizar e compreender tabelas, gráficos e relações matemáticas para a
expressão do saber fı́sico. Ser capaz de discriminar e traduzir as linguagens matemática e discursiva entre si.
3. Expressar-se corretamente utilizando a linguagem fı́sica adequada e elementos de sua representação simbólica.
4. Apresentar de forma clara e objetiva o conhecimento apreendido, através
de tal linguagem.
5. Elaborar sı́nteses ou esquemas estruturados dos temas fı́sicos trabalhados.
6. Desenvolver a capacidade de investigação fı́sica.
7. Observar, estimar ordens de grandeza, compreender o conceito de medir,
fazer hipóteses, testar.
8. Conhecer e utilizar conceitos fı́sicos.
9. Relacionar grandezas, quantificar, identificar parâmetros relevantes.
10. Compreender e utilizar leis e teorias fı́sicas.
11. Construir e investigar situações-problema, identificar a situação fı́sica,
utilizar modelos fı́sicos, generalizar de uma a outra situação, analisar
previsões.
Capı́tulo 2
Ferramenta Virtual para o Ensino de
Circuitos Elétricos
Neste capı́tulo daremos algumas argumentações para a utilização de uma
ferramenta virtual como auxı́lio no ensino de circuitos elétricos e no passo seguinte faremos uma revisão teórica dos conceitos fı́sicos que serão abordados
e discutidos no uso do simulador computacional.
O estudo relacionado a ciência requer atenção, principalmente no caso
da Fı́sica, de acordo com [1], vários estudantes têm medo ou pensam que os
assuntos da disciplina de Fı́sica são difı́ceis de serem aprendidos. O que pode
contribuir para esse descontentamento por partes deles, é o pouco tempo de
disponibilidade para aprimorar as habilidade, e que implica em dificuldades
de dar continuidade ao ensino com mais detalhes.
O ensino de Fı́sica, ainda de acordo com a [1], é um desafio para professores e alunos. Utilizando-se dos métodos tradicionais, ou seja, quadro e
pincel ou giz, algumas coisas tornam-se difı́ceis de ensinar, como por exemplo, a eletricidade. Em Fı́sica tenta se criar modelos, abstratos, por exemplo,
CAPÍTULO 2. FERRAMENTA VIRTUAL PARA O ENSINO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS5
que representam alguma teoria, fica difı́cil para alguns alunos acompanhar o
raciocı́nio. Então, seria melhor o uso de uma outra ferramenta que pudesse
auxiliar e facilitar ainda mais a compreeesão dos alunos, como exemplo, um
simulador.
Segundo a [2], os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), coloca que
o ensino de Fı́sica deve ser voltado para a formação de um cidadão contemporâneo e atuante, com conhecimento suficiente, para intervir, participar e
propor soluções para a realidade a sua volta.
A visão do cidadão passa a ser mais ampla quando o mesmo procura
através dos conhecimentos adquiridos na disciplina de Fı́sica, e passa a contextualizar e articular com as outras disciplinas. Bom, para que isso ocorra
com eficiência, é necessário que o professor procure ferramentas que possam
conjugar os assuntos vistos em sala de aula com o mundo real e atual.
Alguns experimentos didáticos são extremamentes caros e de difı́cil
acesso, fator que dificulta a sua utilização. O uso de computadores é extremamente mais acessı́vel e amplamente disponı́vel nas escolas públicas e
particulares.
Diante desse contexto, segundo a [3], a utilização das novas tecnologias e
comunicação no ensino, como softwares educacionais, tem sido algo de grande
interesse, e isso não é apenas um fenômeno nacional, os paı́ses desenvolvidos
desenvolve uma polı́tica de incentivos nas instituições de ensino superior, para
que o professor sai qualificado e preparado no uso dessas ferramentas.
Os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM),
de acordo com a [4], têm objetivos de desenvolver competências e habilidades dos estudantes nas diferentes disciplinas, ao invés de focar apenas os
conteúdos especı́ficos de cada disciplina. Então, devido a essa nova reorga-
CAPÍTULO 2. FERRAMENTA VIRTUAL PARA O ENSINO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS6
nização curricular, os cursos de Licenciatura em Fı́sica devem trabalhar na
preparação dos professores para os novos parâmetros curriculares.
Den-
tre as competências e habilidades a serem desenvolvidas na área de Ciências
da Natureza, como a Fı́sica, é a utilização de ferramenta computacional Eletronics Workbench 5.0 (EWB), que dispensa qualquer conhecimento de linguagem de programação. O EWB é simulador eletrônico, que permite construir e simular circuitos eletrônicos dentro de uma realidade virtual, mas, que
não deixa de representar algo que é real.
A implementação do simulador eletrônico EWB irá minimizar as dificuldades no processo de ensino aprendizagem dos circuitos elétricos, como
coloca a [5], o conteúdo relacionado aos circuitos elétricos apresenta certas
dificuldades, seja na fundamentação teórica, ou no uso de concepções alternativas.
Diante dessa realidade descrita, a aplicação do EWB na simulação de
experimentos de circuitos elétricos ainda pode auxiliar na compreensão de
conceitos e suprir a carência de recursos dos laboratórios de Fı́sica, principalmente nas escolas públicas, particulares e até mesmo em algumas instituições
de ensino superior.
É possı́vel através do EWB verificar e corrigir danos causados a elementos do circuito, devido a ligações inadequadas, sem nenhum custo e sem risco
de acidentes, pois as lâmpadas ou os motores queimados são reparados com
um simples clique, após ser corrigido o problema que originou a avaria.
Enfim, o uso deste software permite aos estudantes interagirem diretamente com o conteúdo em estudo, através de experiências virtuais. Para
realizar, em um laboratório real de Fı́sica, a variedade de práticas permitidas pelo aplicativo, seria necessário um investimento tanto na compra do
2.1. CORRENTE ELÉTRICA
7
material, como na sua eventual reposição. Uma outra vantagem prevista é a
racionalização do tempo, tanto na preparação das aulas, como no seu desenvolvimento.
Com o uso desse ambiente virtual de aprendizagem espera-se que haja
um melhor aproveitamento do tempo, pois os alunos podem trabalhar e interagir também fora do horário normal das aulas, já que o mesmo em sala de
aula é muito curto. Espera-se também que o ambiente virtual interativo seja
um fator de motivação dos alunos para a aprendizagem.
2.1
Corrente Elétrica
Com base nas [6] e [7], procuramos produzir uma rápida revisão teórica.
Corrente elétrica estar associado ao movimento ordenado de portadores de
carga elétrica. Neste caso, os portadores de carga elétrica são os elétrons
livres nos condutores sólidos (metais) e os cátions e ânions, nos condutores
eletrolı́ticos (soluções iônicas e lı́quidos). Os gases, normalmente isolantes,
sob a ação de um forte campo elétrico podem se ionizar, apresentando como
portadores de carga, ı́ons positivos, ı́ons negativos e elétrons livres.
Usa-se ainda a expressão corrente elétrica, que vem da antiga concepção
de eletricidade como um fluido, que supostamente poderia ser canalizada por
condutores ou encanamentos hipotéticos, algo semelhante com a água corrente canalizada. Embora a analogia entre corrente elétrica e água corrente
seja algo para facilitar a compreensão do que é uma corrente elétrica, mas,
esses dois fenômenos apresentam algumas caracterı́sticas muito diferentes.
Enquanto na água encanada o que se movimenta é o lı́quido, e todo o
2.1. CORRENTE ELÉTRICA
8
lı́quido e qualquer partı́cula nele inserida se desloca com aproximadamente
a mesma velocidade e no mesmo sentido, na corrente elétrica quem se movimenta são os portadores de carga que representam uma pequena parte do
que é constituı́do o condutor, mesmo sendo muito numerosos.
Quando o sentido de um campo elétrico aplicado permanece sempre o
mesmo, os portadores de carga se deslocam (mesmo com baixa velocidade),
em média, em um só sentido. Neste caso, temos a representação de uma
corrente contı́nua, por exemplo, baterias e pilhas.
No gerador mecânico-eletromagnético ou dı́namo ou alternador, o sentido
do vetor campo elétrico entre os seus terminais varia periodicamente, fazendo
com que os portadores de carga nos condutores alimentados com este gerador
praticamente não se desloquem, mas oscilem em torno de posições fixas, em
um movimento de vaivém, em qualquer ponto do fio condutor. Neste caso,
temos uma corrente alternada.
As cargas positivas se deslocam, no condutor, no mesmo sentido do campo
elétrico, ou seja, sentido do potencial maior para o potencial menor (do pólo
positivo para o pólo negativo do gerador), sentido convencional. As cargas
negativas se deslocam em sentido contrário ao campo elétrico, vão do potencial menor para o maior (do pólo negativo para o pólo positivo do gerador).
Este é o sentido real da corrente elétrica.
Considere um condutor retilı́neo percorrido por uma corrente elétrica.
Imagine, neste condutor, uma secção reta S, então, a intensidade da corrente
(i),
i=
∆Q
,
∆t
(2.1)
2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS
9
onde ∆Q é a quantidade de cargas que percorre o condutor por ∆t que é a
variação do tempo,
∆Q = ne,
(2.2)
sendo e = 1, 6 × 10−19 C e n é número de elétrons que atravessam a secção
reta do condutor.
A intensidade de corrente elétrica de 1C/s é denominada 1 Ampère (1 A).
2.2
Circuitos Elétricos
Um circuito elétrico é constituı́do por dispositivos nos quais é possı́vel
estabelecer uma corrente elétrica. Em um circuito elétrico em funcionamento, como existe corrente elétrica, e existem diferenças de potencial elétrico
(tensões), haverá conversão de energia elétrica em outras formas de energia.
Para que ocorra um circuito elétrico simples, deve haver, pelo menos, um
gerador, condutores e um receptor ou uma resistência.
2.2.1
Estudo dos resistores
Quando uma corrente elétrica passa por um condutor sólido, um número
muito grande de elétrons livres se desloca nesse condutor e colidem entre si
e também contra os átomos que formam o condutor. Devido a essas colisões,
os elétrons livres encontram uma certa dificuldade para se deslocar, existe
uma resistência à passagem de corrente elétrica.
A grandeza fı́sica que mede essa dificuldade ou resistência à passagem
de corrente elétrica é chamada resistência elétrica, que depende da sua espes-
2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS
10
sura, do seu comprimento e da condutividade elétrica do material de que é
constituı́do o condutor (acondutividade está relacionada ao número de portadores de carga). Além disso, a resistência elétrica também depende da
temperatura.
Define-se a resistência elétrica (R) de um condutor pela razão,
R=
U
,
i
(2.3)
onde U é a diferença de potencial nas extremidades do condutor e i é a
intensidade da corrente elétrica que o atravessa.
A unidade ohm é representada pela letra grega omega (Ω),
1Ω =
1V
1A
(2.4)
Na associação de resistores temos dois tipos de arranjos, em série e paralelo. Resistores no arranjo em série são percorridos pela mesma corrente
elétrica. Na figura abaixo, temos um exemplo de associação em série e o
resistor equivalente.
(a)
(b)
Figura 2.1: (a)Associação de resistores em série. (b)Resistor equivalente.
Tomando a d.d.p. correspondente a cada resistor respectivamente (U1,
2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS
11
U2 e U3) e tilizando a equação de definição da resistência elétrica pode-se
expressar as d.d.p(s) em cada resistor da seguinte forma,
U1 = R1 .i
(2.5)
U2 = R2 .i
(2.6)
U3 = R3 .i
(2.7)
U = Req .i
(2.8)
Como a diferença de potencial é uma grandeza escalar que informa qual
é o trabalho do campo elétrico, e como o trabalho elétrico total entre dois
pontos é a soma dos trabalhos parciais, pode-se afirmar que a diferença de
potencial total da associação é igual à soma algébrica das diferenças de potencial em cada resistor. Logo, podemos escrever,
U = U1 + U2 + U3
Req .i = R1 .i + R2 .i + R3 .i
(2.9)
(2.10)
Dividindo-se a última expressão por i, obtém-se a expressão do resistor
equivalente (Req ) numa associação em série,
Req = R1 + R2 + R3
(2.11)
Vale lembrar que a associação de resistores em série não é conveniente
para aparelhos elétricos em uma residência, por exemplo. Se um aparelho
estivesse desligado ou deixasse de funcionar, interromperia todo o circuito.
Quando os resistores estão ligados de modo que são oferecidos dois ou
mais caminhos para a corrente elétrica, se diz que a associação é em paralelo.
O número de caminhos para a corrente elétrica é igual ao número de resistores
e os terminais de todos os resistores devem estar ligados à mesma fonte de
energia. Podemos observar a figura abaixo,
2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS
12
Figura 2.2: Associação de resistores em paralelo.
2.2.2
Capacitores
Um capacitor é um dispositivo muito usado em circuitos elétricos a
função de armazenar cargas e, portanto, energia elétrica. Existe o capacitor plano, o capacitor cilı́ndrico, o capacitor esférico, etc. Independente do
tipo, o capacitor é sempre representado pelo sı́mbolo abaixo,
Figura 2.3: Capacitor.
Para carregar um capacitor, este deve ser ligado aos terminais de um
gerador, de forma que a placa positiva seja ligada ao pólo positivo do gerador
e, a negativa, ao pólo negativo do gerador. Diz-se, então, que o capacitor fica
carregado com uma carga Q.
A quantidade de carga adquirida pelo capacitor depende da ddp do gerador. A relação entre a carga Q armazenada e a ddp U do gerador é uma
constante caracterı́stica do capacitor, chamada capacitância ou capacidade
elétrica C do capacitor,
C=
C
,
Q
(2.12)
2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS
13
onde a unidade de capacidade no S.I é o coulomb por volt (C/V), que recebe
o nome de Farad (F), em homenagem a Michael Faraday.
O capacitor tem a função de armazenar energia durante um certo
tempo, assim, num dado momento, de acordo com a necessidade, fornecer
essa energia às cargas para manter a corrente elétrica. No trecho em que o
capacitor está inserido não há passagem de corrente contı́nua, caso contrário,
haveria descarga entre as armaduras, danificando o dispositivo.
2.2.3
Diodo
O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente atravesse-o
num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum
de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de
diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos
como na figura abaixo.
Figura 2.4: Representação do diodo.
As importantes caracterı́sticas dos diodos são: a corrente máxima de
fuga, que é a corrente que escapa quando o ele está polarizado inversamente,
influenciada quase linearmente pela temperatura; a velocidade de resposta,
que é o tempo que leva para o diodo ligar e desligar, informação importante
quando se trabalha com altas freqüências; a corrente de surto, que é a corrente máxima que o diodo pode suportar por um tempo muito curto; e a
2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS
14
capacitância que se forma no diodo quando este é polarizado inversamente,
outra informação importante em altas freqüências.
Um conjunto de diodos do mesmo tipo associados em série apresenta
uma capacidade de corrente direta igual à capacidade de cada unidade. A
tensão máxima reversa, entretanto, será a soma das tensões máximas reversas individuais. É importante que os diodos sejam do mesmo tipo, ou haverá
uma distribuição irregular da tensão entre eles, causando a ruptura em um
valor inferior a esta soma.
Figura 2.5: Associação de diodos em série.
A montagem de diodos em paralelo costuma ser problemática, e deve ser
substituı́da por um único diodo com maior capacidade de corrente sempre que
possı́vel. Nos diodos associados em paralelo, a tendência será de que aquele
com a menor barreira de tensão comece a conduzir primeiro, assumindo a
maior parte (senão toda) a corrente do circuito.
Figura 2.6: Associação de diodos em paralelo.
Capı́tulo 3
Eletronics Workbench 5.0 (EWB)
Para iniciar o EWB, dê um duplo −→ clique no seu ı́cone na área de
trabalho ou vá para iniciar−→ Programas−→ Eletronics Workbench 5.0. A
seguinte tela será exibida:
Figura 3.1: Tela inicial do EWB.
CAPÍTULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB)
16
De acordo com a [7], podemos inserir um componente na área de trabalho, quando clicamos na caixa de componentes que o contém. Por exemplo:
resistores, capacitores, indutores encontram-se na caixa de componentes cujo
ı́cone é relativo a figura 3.2(a). Dando um clique nesse ı́cone, será aberta a
caixa de componentes chamada Básica, figura 3.2(b).
(a)
(b)
Figura 3.2: (a)Ícone para a caixa de componentes (b)Caixa de componentes.
Fonte de tensão, de corrente, terra e outro ,elementos assemelhados
encontram-se na caixa de componentes cujo ı́cone é semelhante ao da figura
3.3(a). Dando um clique nesse ı́cone, será aberta a caixa de componentes
chamadas Fontes, figura 3.3(b).
(a)
(b)
Figura 3.3: (a)Ícone para a caixa de componentes fonte (b)Caixa de componentes fonte.
Para colocar qualquer um dos componentes na área de trabalho, clique
com o botão esquerdo do mouse no sı́mbolo do componente e arraste para a
área de trabalho.
Selecionando um componente, você pode modificar qualquer coisa
(dar valor, girar, deletar, etc.)
em um componente, é preciso primeiro
seleciona-lo. Para selecionar, dê um clique nele ou arraste o mouse em cima
CAPÍTULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB)
17
do componente o qual, quando selecionado, ficará destacado em vermelho.
Girando o componente, podemos girar um componente, selecione-o,
inicialmente dando um clique nele ou arrastando o mouse sobre ele. Para
indicar a seleção, o componente fica vermelho. Vá para Circuito → Girar ou
CTR+R ou usando um dos ı́cones da Barra de Ferramentas de circuito, de
acordo com a figura 3.4, vejamos,
Figura 3.4: Girar um componente.
Conectando os componentes, para conectar dois componentes ou
instrumentos, aponte para um dos terminais, que ficará destacado, e arraste
com o botão esquerdo até aparecer uma linha. Aponte para o terminal do
outro componente (sem soltar o botão esquerdo do mouse) e quando ele ficar
destacado também, solte o botão e um fio ligará automaticamente os dois
terminais.
Para conectar dois ou mais fios, use o conector que está na caixa de
componentes básicos,
Figura 3.5: Conector de fios.
Dando valor ao componente, sendo que cada componente possui um
valor pré-configurado. Por exemplo, o default (pré-configuração) do resistor é 1KΩ e o da fonte é 12V. Para alterar o valor do componente, dê um
CAPÍTULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB)
18
duplo-clique nele, ou alternativamente você pode usar a Barra de Ferramentas Circuito → Propriedade do componente. Em qualquer caso será aberta
a caixa de diálogo mostrada na figura 3.6.
(a)
(b)
Figura 3.6: (a)Caixa de Propriedade de Resistor (b)Caixa de Propriedades de Bateria.
Para deletar um componente, selecione o componente e vá para
Editar → Apagar, ou com o componente selecionado aperte a tecla Delete
(ou Del do teclado numérico com Num Lock desativada). Em qualquer caso
aparecerá uma caixa de diálogogo pedindo a confirmação. Use o atalho (clique
com botão direito em cima do componente a ser deletado).
CAPÍTULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB)
19
Figura 3.7: Caixa de Diálogo para confirmação de apagar o item selecionado.
Salvando o circuito, podemos usar ou fazer alterações futuras, você
deve salvar o seu trabalho. Vá para Arquivo → Salvar ou use Ctrl + S. Em
qualquer caso aparecerá a caixa de diálogo da figura 3.8,
Figura 3.8: Menu Arquivo aberto com a opção Salvar habilitada.
Personalizando uma caixa de ferramenta, se formos construir um
circuito que tem bateria, resistores, transistores, diodos, lâmpadas, teremos
que abrir cinco caixas diferentes. É possı́vel colocar todos esses componentes
3.1. MULTÍMETRO
20
em uma mesma caixa chamada de Favoritos. Para adicionar o componente
à caixa Favoritos, abra a caixa em que está o componente, em seguida dê
um clique com o botão direito do mouse em cima do sı́mbolo componente e
clique em adicionar a favoritos.
3.1
Multı́metro
Como coloca a [8], a representação do multı́metro usado é digital. É o
primeiro instrumento da Barra de Instrumentos.
(a)
(b)
(c)
Figura 3.9: (a)Multı́metro- ı́cone. (b) Multı́metro aberto, (c) Janela de ajuste do multı́metro.
3.1. MULTÍMETRO
21
A Figura 3.9 (a) é o seu ı́cone que representa o multı́metro e na figura
3.9(b) é o multı́metro aberto (dar clique duplo para abrir cada instrumento)
ajustado para medir tensão contı́nua.
A ilustração abaixo, figura 3.10, mostra o multı́metro sendo usado como
amperı́metro. Para se medir a intensidade de corrente que circula por um
Figura 3.10: Amperı́metro.
dado componente ou trecho de um circuito o amperı́metro deve ser colocado
em série.
A ilustração, figura 3.11, a seguir mostra o multı́metro sendo usado
como voltı́metro. Observe que, para a medida de uma diferença de poten-
Figura 3.11: Voltı́metro.
cial (tensão) entre dois pontos (os terminais do resistor R2, na ilustração) o
voltı́metro é conectado em paralelo.
A ilustração, figura 3.12, abaixo mostra o multı́metro sendo usado como
3.2. GERADOR DE FUNÇÕES
22
ôhmı́metro.
Figura 3.12: Ôhmı́metro.
O ôhmı́metro não deve ser usado com o circuito conectado à fonte de
alimentação. Ele não trabalha da mesma maneira que o voltı́metro e o amperı́metro. Esses dois usam a fonte de alimentação do circuito para suas
leituras; o ôhmı́metro não, ele tem sua própria fonte de tensão.
Além disso, o componente cuja resistência está sob medição deve ser retirado do circuito. Na ilustração, o resistor R1 foi retirado para uma perfeita
medição do valor de sua resistência.
3.2
Gerador de Funções
O gerador de funções do software EWB pode produzir sinais quadrados,
triangulares ou senoidais na faixa de freqüências que vai de 1Hz a 999Mhz.
A figura 3.13 mostra o aspecto do nosso gerador de funções quando
aberto.
O osciloscópio é um dos instrumentos mais versáteis em um laboratório,
permitindo medir tensão ao mesmo tempo que a forma da onda é visualizada.
O osciloscópio usado é o padrão, com dois canais, permitido, portanto, amos-
3.2. GERADOR DE FUNÇÕES
23
Figura 3.13: Gerador de Funções: Senoidal, Triangular e Quadrada.
trar duas formas da onda ao mesmo tempo. A figura 3.14 mostra o ı́cone e o
osciloscópio com os principais controles.
Figura 3.14: Osciloscópio.
X POS: Desloca a forma de onda na horizontal (limite −5 a +5).
Y POS: Desloca a forma de onda na vertical (limite −3 a +3).
Y/T: Mostra a forma de onda em função do tempo (caso mais comum). Deixe
essa opção sempre selecionada.
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
3.3
24
Proposta para Atividade
O seguinte questionário pode ser aplicado para os alunos do ensino médio
e do ensino superior do curso de Fı́sica. As informações e observações podem
despertar a participação dos alunos, dentro do contexto da [9] e [10] , o professor nas aulas práticas e nas discussões teóricas podem usar como sugestão
as questões abaixo.
3.3.1
Usando o multı́metro virtual
Como coloca a [11], podemos iniciar as observações medindo a corrente
total que flui da bateria. Onde deveremos posicionar o amperı́metro, no
ponto X, Y ou Z?
Queremos medir a d.d.p. através da lâmpada L2. Escolha dois pontos(X, Y, Z) para conectar o voltı́metro.
Para medir a resistência de qualquer uma dessas lâmpadas, como devemos proceder?
Figura 3.15: Circuito.
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
25
Na associação abaixo, determine o valor da resistência equivalente entre
os pontos A e E.
Figura 3.16: Associação de resistores em série.
Na associação abaixo, qual deve ser a resistência equivalente entre os
pontos A e H?
Figura 3.17: Associação de resistores em paralelo.
3.3.2 Controle de corrente por diodo
Observe os circuitos abaixo, de acordo com a [12], responda às perguntas,
Figura 3.18: Exemplo de Circuito.
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
26
A lâmpada irá acender quando a chave for fechada?
Se a bateria for invertida, a lâmpada acenderá? Explique.
Figura 3.19: Exemplo de Circuito.
Que lâmpada(s) deve(m) acender quando a chave for fechada na figura
Explique o que ocorre.
E se a bateria for invertida, que lâmpada(s) deve(m) acender ao fecharmos a chave? Explique o que ocorre.
Que lâmpada(s) deve(m) acender antes de a chave ser fechada no circuito?
Que lâmpada(s) deve(m) acender após a chave ser fechada?
Se a bateria for invertida, que lâmpada(s) deve(m) acender antes e depois
de a chave ser fechada?
3.3.3
Usando um osciloscópio para observar a retificação
Se fizermos uso de um osciloscópio, e de posse das idéias da [13], podemos observar claramente o papel de um diodo em um circuito submetido a
corrente alternada.
Veja um esquema de um circuito simples, sem diodo, que sofre a
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
27
Figura 3.20: Exemplo de Circuito.
influência direta de corrente alternada.
Ao aplicarmos uma corrente alternada no circuito, observamos que os
potenciais aplicados através do resistor de carga (1kΩ), variam senoidalmente.
Vejamos agora o que acontece quando adicionamos um diodo ao circuito,
Nesse caso temos um gráfico com uma forma de onda diferente do visto
anteriormente.
Nos dois casos vistos acima, o gerador de sinais pode ser substituı́do por
um transformador simples de 220/12V. Ao utilizarmos o gerador de sinais,
teremos a possibilidade de substituir o osciloscópio por um galvanômetro
que oscile positiva e negativamente.
Como você explicaria a mudança que se observa no gráfico quando
adicionamos o diodo?
Se revertermos o diodo, o que muda?
Se fizermos um curto-circuito através do diodo, o que acontece?
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
28
Figura 3.21: Circuito Corrente Alternado.
3.3.4
Usando diodos em circuitos de corrente alternada
Use uma fonte de corrente alternada de baixa voltagem para ver o que
acontece ao bulbo de uma lâmpada no circuito a seguir,
Podemos observar que a lâmpada acendeu. Você pode explicar como
isso ocorreu? A corrente que passa pela lâmpada é alternada ou contı́nua?
Que relação pode ser feita com o experimento anterior?
De acordo com o que você sabe, a lâmpada fica acesa de forma ininterrupta?
Repita o experimento anterior adicionando outro diodo, conforme mostra a figura 3.24,
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
29
Figura 3.22: Circuito Corrente Alternado adicionado com o Diodo.
O bulbo acendeu? Explique o que aconteceu?
Reorganize o circuito de acordo com a figura 3.25,
Que lâmpadas acenderam? Por que?. Elas acenderam ao mesmo tempo
ou de forma alternada?
Observe agora o circuito abaixo,
Alguma lâmpada acende quando a chave está aberta?Qual?
E após fechar a chave, o que muda? Compare a sua resposta com a do
experimento anterior e explique o que você entendeu?
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
30
Figura 3.23: Circuito Corrente Alternado com um Diodo e uma Lâmpada.
Figura 3.24: Circuito Corrente Alternado com dois Diodos e uma Lâmpada.
3.3.5
Retificação de meia onda
Como os experimentos anteriores mostraram, podemos transformar uma
corrente alternada em uma corrente contı́nua. No entanto, vimos que seu valor oscila entre um valor de pico que é atingido uma vez a cada ciclo da
corrente alternada, e o valor zero que é mantido a cada meia onda da corrente alternada. Para resolvermos esse problema, podemos fazer uso de um
capacitor.
Monte o circuito da figura 3.27, de modo que diferentes capacitores possam ser usados.
Ao montarmos o circuito acima descrito, usando o osciloscópio, podemos
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
31
Figura 3.25: Circuito em um novo formato.
Figura 3.26: Circuito em um novo formato.
encontrar um gráfico aproximado do mostrado logo abaixo, vejamos,
No gráfico acima temos uma comparação do gráfico encontrado quando
fazemos uso de um capacitor e quando não usamos o capaitor.
Explique com suas palavras o que aconteceu com o sinal gerado. O que
ocasionou essa mudança?
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
32
Figura 3.27: Circuito com capacitor.
3.3.6
Retificador de onda completa
Vimos anteriormente que a corrente aproveitada no circuito era apenas
metade da de um ciclo completo, ou seja, tı́nhamos o desperdı́cio de metade
da energia que nos era fornecida. Desse modo não estávamos utilizando todo
o potencial da corrente fornecida e consequentemente não fornecemos toda
a corrente contı́nua que poderámos.
A partir dessa constatação, podemos contornar o problema com o uso
de um retificador de onda completa, figura 3.29.
Para completar o processo basta que, semelhante ao que foi feito com o
retificador de meia onda, se adicione um capacitor ao circuito, figura 3.30.
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
Figura 3.28: O uso do osciloscópio.
Figura 3.29: Retificador de onda completa.
33
3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE
Figura 3.30: Retificador de meia onda completa.
34
Capı́tulo 4
Conclusões
Neste trabalho de monografia, propusemos e discutimos sobre um
simulador computacional, Eletronics Workbench 5.0 (EWB), para aplicação
no laboratório de circuitos elétricos. Utilizando alguns exemplos que são
feitos em sala de aula, onde o professor utiliza meios abstratos, com auxı́lio
do quadro branco, pincel e suas habilidades de desenho, torna-se difı́cil
de alguns alunos acompanharem, daı́ a necessidade de uma ferramenta
que facilite essa compreensão, então, utilizando o simulador computacional
EWB, ele mostra-se bastante conveniente para tal abordagem. Além disso
o professor pode acompanhar os alunos durante a montagem e análise dos
circuitos, trabalhando os conteúdos teóricos de forma prática.
O simulador computacional EWB foi completamente descrito, onde foi
possı́vel visualizar os ı́cones referentes aos dispositivos essenciais para a montagem e análise de um circuito elétrico. O simulador computacional EWB
também é possı́vel mostrar a compreensão dos enunciados que envolvem
códigos e sı́mbolos fı́sicos, a utilizacão de gráficos e relações matemáticas
para a expressão do saber fı́sico. Ser capaz de discriminar e traduzir as lin-
CAPÍTULO 4. CONCLUSÕES
36
guagens matemática, expressar-se corretamente utilizando a linguagem fı́sica
adequada e elementos de sua representação simbólica. O professor de posse
do EWB pode desenvolver a capacidade de investigação fı́sica dos alunos,
procurar aprimorar as estimativas de ordens de grandeza, conhecimento e
utilização dos conceitos fı́sicos. Desenrolar situações-problema, identificando
a situação fı́sica, modelos fı́sicos, generalizando de uma a outra situação, e
fazer previsões.
O tratamento permite, dessa forma, que alunos coloquem em prática
os conteúdos que são colocados em sala de aula, ou seja, através de uma
realidade totalmente virtual, as idéias colocadas com o auxı́lio do simulado
computacional EWB, mas que não deixam de ser aplicados no mundo real,
na realidade dos próprios alunos.
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sino/aprendizagem de Fı́sica e os novos parâmetros curriculares
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[12] Turner, L. W. Circuitos e Dispositivos Eletrônicos. Editora Hemus.
[13] Braga, Newton C. Saber Eletrônica. Editora Saber Ltda.