Dissipação de energia

PEÇAS E MATERIAIS

• Calculadora (ou lápis e papel para fazer aritmética)
• bateria de 6 volts
• Dois resistores de 1/4 watt:10 Ω e 330 Ω.
• termômetro pequeno

Os valores do resistor não precisam ser exatos, mas dentro de cinco por cento dos valores especificados (+/- 0,5 Ω para o resistor de 10 Ω; +/- 16,5 Ω para o resistor de 330 Ω).

Os códigos de cores para resistores de 10 Ω e 330 Ω com tolerância de 5% são os seguintes:Marrom, Preto, Preto, Dourado (10, +/- 5%) e Laranja, Laranja, Marrom, Dourado (330, +/- 5%) .

Não use qualquer tamanho de bateria diferente de 6 volts para este experimento.

O termômetro deve ser o menor possível, para facilitar a detecção rápida do calor produzido pelo resistor.

Eu recomendo um termômetro médico, do tipo usado para medir a temperatura corporal.



REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 1, capítulo 2:"Lei de Ohm"



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Uso de voltímetro
• Uso do amperímetro
• Uso do ohmímetro
• Uso da Lei de Joule
• Importância das classificações de potência dos componentes
• Importância dos pontos eletricamente comuns

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

Meça a resistência de cada resistor com seu ohmímetro, anotando os valores exatos em um pedaço de papel para referência posterior.

Conecte o resistor de 330 Ω à bateria de 6 volts usando um par de fios de jumper, conforme mostrado na ilustração.

Conecte os fios do jumper aos terminais do resistor antes conectando as outras extremidades à bateria.

Isso garantirá que seus dedos não toquem no resistor quando a energia da bateria for aplicada.

Você deve estar se perguntando por que não aconselho nenhum contato físico com o resistor energizado. Isso ocorre porque ele ficará quente quando alimentado pela bateria.

Você usará o termômetro para medir a temperatura de cada resistor quando energizado.

Com o resistor de 330 Ω conectado à bateria, meça a tensão com um voltímetro.

Na medição de tensão, há mais de uma maneira de obter uma leitura adequada.

A tensão pode ser medida diretamente na bateria ou diretamente no resistor.

A tensão da bateria é igual à tensão do resistor neste circuito, uma vez que esses dois componentes compartilham o mesmo conjunto de pontos eletricamente comuns:um lado do resistor está diretamente conectado a um lado da bateria e o outro lado do resistor está conectado diretamente para o outro lado da bateria.









Todos os pontos de contato ao longo do fio superior na ilustração (de cor vermelha) são eletricamente comuns entre si.

Todos os pontos de contato ao longo do fio inferior (de cor preta) são igualmente eletricamente comuns entre si.

A tensão medida entre qualquer ponto no fio superior e qualquer ponto no fio inferior deve ser a mesma.

Tensão medida entre quaisquer dois pontos comuns , no entanto, deve ser zero.

Usando um amperímetro, meça a corrente através do circuito. Novamente, não existe uma maneira "correta" de medir a corrente, desde que o amperímetro seja colocado dentro do caminho do fluxo de elétrons através do resistor e não através de uma fonte de voltagem.

Para fazer isso, faça uma pausa no circuito e coloque o amperímetro dentro que quebram:conecte as duas pontas de prova aos dois fios ou terminais deixados abertos pela quebra. Uma opção viável é mostrada na ilustração a seguir:







Agora que você mediu e registrou a resistência do resistor, a tensão do circuito e a corrente do circuito, você está pronto para calcular a potência dissipação.

Considerando que a tensão é a medida do "impulso" elétrico que motiva os elétrons a se moverem através de um circuito e a corrente é a medida da taxa de fluxo de elétrons, a potência é a medida da taxa de trabalho :quão rápido o trabalho está sendo feito no circuito.

É preciso uma certa quantidade de trabalho para empurrar os elétrons através de uma resistência, e a potência é uma descrição de quão rapidamente esse trabalho está ocorrendo.

Nas equações matemáticas, a potência é simbolizada pela letra “P” e medida na unidade de Watt (W).

A potência pode ser calculada por qualquer uma das três equações - referidas coletivamente como Lei de Joule - dadas quaisquer duas das três quantidades de tensão, corrente e resistência:







Tente calcular a potência neste circuito, usando os três valores medidos de tensão, corrente e resistência.

De qualquer maneira que você calcule, o valor de dissipação de energia deve ser aproximadamente o mesmo.

Assumindo uma bateria com 6.000 volts e um resistor de exatamente 330 Ω, a dissipação de energia será de 0,1090909 watts, ou 109,0909 mili-watts (mW), para usar um prefixo métrico.

Como o resistor tem uma potência nominal de 1/4 watt (0,25 watts ou 250 mW), ele é mais do que capaz de sustentar esse nível de dissipação de energia.

Como o nível de potência real é quase metade da potência nominal, o resistor deve ficar notavelmente quente, mas não deve ultrapassar calor.

Toque a extremidade do termômetro no meio do resistor e veja como fica quente.

A classificação de potência de qualquer componente elétrico não nos diz quanta potência ele irá dissipar, mas simplesmente quanta energia pode dissipar sem sofrer danos.

Se a quantidade real de energia dissipada exceder a classificação de energia de um componente, esse componente aumentará a temperatura a ponto de causar danos.

Para ilustrar, desconecte o resistor de 330 Ω e substitua-o pelo resistor de 10 Ω. Novamente, evite tocar no resistor quando o circuito for concluído, pois ele aquecerá rapidamente.

A maneira mais segura de fazer isso é desconectar um fio jumper de um terminal de bateria, em seguida, desconectar o resistor 330 Ω das duas garras jacaré, conectar o resistor 10 Ω entre as duas garras e, finalmente, reconectar o fio jumper de volta à bateria terminal.

Cuidado:mantenha o resistor de 10 Ω longe de qualquer material inflamável quando ele estiver sendo alimentado pela bateria!

Você pode não ter tempo suficiente para fazer medições de tensão e corrente antes que o resistor comece a soltar fumaça.

Ao primeiro sinal de perigo, desconecte um dos fios do jumper de um terminal de bateria para interromper a corrente do circuito e dê ao resistor alguns instantes para esfriar.

Com a energia ainda desconectada, meça a resistência do resistor com um ohmímetro e observe qualquer desvio substancial de seu valor original.

Se o resistor ainda medir dentro de +/- 5% de seu valor anunciado (entre 9,5 e 10,5 Ω), reconecte o fio do jumper e deixe-o soltar um pouco mais.

Que tendência você nota com o valor do resistor conforme ele é cada vez mais danificado por sobrepujação?

É típico que os resistores falhem com uma resistência maior do que o normal quando superaquecidos.

Geralmente, esse é um modo de falha de autoproteção, pois um aumento na resistência resulta em menos corrente e (geralmente) menos dissipação de energia, resfriando-o novamente. No entanto, o valor de resistência normal do resistor não retornará se suficientemente danificado.

Executando alguns cálculos da Lei de Joule para a potência do resistor novamente, descobrimos que um resistor de 10 Ω conectado a uma bateria de 6 volts dissipa cerca de 3,6 watts de potência, cerca de 14,4 vezes sua dissipação de potência nominal. Não é de admirar que fume tão rapidamente após a conexão à bateria!



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