Voltímetro Potenciométrico: Medição Precisa de Tensão com Carga Mínima

Peças e Materiais

• Duas baterias de 6 V
• Potenciômetro linear de volta única, 10 kΩ (Radio Shack #271-1715)
• Dois resistores de alto valor (≥1 MΩ cada)
• Detector de tensão sensível (do experimento anterior)
• Voltímetro analógico (do experimento anterior)

O valor do potenciômetro é flexível — qualquer coisa de 1 kΩ a 100 kΩ funcionará. Se você construiu o potenciômetro de precisão descrito anteriormente neste capítulo, ele é ideal para este exercício. Da mesma forma, valores maiores de resistores melhoram a precisão; não precisam ser idênticos.

Se você ainda não construiu o detector de tensão sensível, recomendamos fazê-lo primeiro. Um detector caseiro é barato, mas demonstra como fazer medições precisas de tensão sem equipamento caro. Um multímetro digital na faixa de milivolts DC pode servir como substituto, mas um detector baseado em fone de ouvido é preferível para fins de aprendizado.

Referências Cruzadas

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Capítulo 8: "Circuitos de Medição DC"

Objetivos de Aprendizado

• Entender carga do voltímetro: suas causas e como mitigá-la
• Usar um potenciômetro como fonte de tensão variável
• Aplicar o método potenciométrico (balanceamento nulo) para medição precisa de tensão

Diagrama Esquemático

Ilustração

Instruções

1. Monte o divisor de tensão de dois resistores mostrado no lado esquerdo do esquemático.

2. Se os resistores de alto valor forem iguais, a bateria de 6 V deve se dividir em duas quedas de 3 V.

3. Meça a tensão da bateria com um voltímetro, depois meça a queda em cada resistor.

Você provavelmente notará uma discrepância: a soma das quedas individuais não é igual à tensão total da bateria. Isso não viola a Lei de Tensão de Kirchhoff; é um exemplo clássico de carga do voltímetro.

Analogia: Um medidor de pressão de pneu libera uma pequena quantidade de ar quando conectado, reduzindo levemente a pressão do pneu. Da mesma forma, um voltímetro fornece um caminho para corrente que altera ligeiramente a tensão no componente que mede.

Neste circuito, o efeito é pronunciado porque os resistores de teste são de alto valor. Substitua-os por unidades de 100 kΩ, depois por unidades de 10 kΩ, e observe como as leituras de tensão mudam. Resistência menor reduz o impacto da carga, mas ao custo da precisão da medição.

Tente medir cada resistor com um voltímetro digital em vez de analógico. Medidores digitais geralmente têm impedância de entrada mais alta (frequentemente >10 MΩ), então consomem menos corrente e produzem leituras mais próximas da tensão real.

Para uma abordagem mais precisa, use o método potenciométrico (balanceamento nulo). Esta técnica equilibra a tensão de teste contra uma fonte de tensão ajustável (o potenciômetro) e usa um detector nulo altamente sensível para indicar equilíbrio. Uma vez equilibrado, a tensão do potenciômetro — lida com um voltímetro — é igual à tensão de teste, livre de erros de carga.

Circuito do Voltímetro Potenciométrico

O círculo rotulado "null" representa o detector nulo. Qualquer movimento de medidor sensível ou indicador de tensão pode servir como detector; sua função é apenas sinalizar diferença de tensão zero.

Construa o circuito como ilustrado e use-o para medir a queda de tensão em um dos resistores de alto valor. Inicialmente, um multímetro comum pode funcionar como detector nulo enquanto você se familiariza com o processo. Se preferir o detector baseado em fone de ouvido, faça contato breve com cada ponto de teste e ouça o clique característico que desaparece no silêncio no equilíbrio.

Nota: Um potenciômetro de volta única pode ser muito grosso para balanceamento nulo preciso. Considere uma unidade de múltiplas voltas ou o circuito de potenciômetro de precisão descrito anteriormente.

Simulação Computacional

Esquemático SPICE com números de nós:

Netlist (copie o seguinte para um arquivo de texto chamado potentiometric.cir):

 Voltímetro potenciométrico v1 1 0 dc 6 v2 3 0 r1 1 2 1meg r2 2 0 1meg rnull 2 3 10k rmeter 3 0 50k .dc v2 0 6 0.5 .print dc v(2,0) v(2,3) v(3,0) .end 

A simulação demonstra que a tensão de teste é precisa apenas quando o detector nulo lê zero — ou seja, quando o potenciômetro está perfeitamente equilibrado. Nesse ponto, a fonte ajustável lê exatamente 3,000 V, correspondendo à queda de tensão real no resistor de teste.

Planilhas Relacionadas

• Planilha de Metrologia DC