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Fig Painel do multímetro com a função ohmímetro em destaque.
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Maria Luiza Filipe Cabreira
1 2 MULTÍMETRO Objetivos Aprender a manusear o multímetro na realização de medidas de tensões e correntes elétricas, contínuas e alternadas, bem como medir resistências elétricas Introdução O multímetro é um aparelho que incorpora diversos instrumentos de medida, como voltímetro, amperímetro e ohmímetro por padrão e capacímetro, freqüencímetro, termômetro entre outros, como opcionais conforme o fabricante do instrumento disponibilizar. Tem ampla utilização entre os técnicos em eletrônica, pois são os instrumentos mais usados na análise de defeitos em aparelhos eletro-eletrônicos. Também é muito útil no meio científico. Alguns multímetros especiais são utilizados principalmente em pesquisas, como é o caso do eletrômetro que mede correntes muito baixas (da ordem de ampères). A figura 2.1 mostra exemplos de um multímetro analógico e de um multímetro digital utilizados no laboratório didático de física. Ambos têm um botão giratório que é denominado seletor de funções e escalas. É com este seletor que escolheremos a função a ser trabalhada, tais como voltímetro (para medir tensão elétrica), amperímetro (para medir corrente elétrica), ohmímetro (para medir resistência elétrica), capacímetro (medir capacitância), freqüencímetro (medir freqüência) entre outras funções disponíveis. Fig Multímetros analógico e digital. Abaixo do botão seletor estão os bornes, que são orifícios para a introdução de duas pontas de prova (cabos elétricos para a conexão do multímetro ao circuito). O borne com a denominação COM (comum) é sempre utilizado. Os demais bornes são utilizados de acordo com a função desejada. Para se analisar um circuito elétrico de uma forma mais prática padroniza-se utilizar fios vermelhos para polaridade positiva e fios pretos para polaridade negativa. As pontas de prova de um multímetro também têm essas cores, sendo o fio preto ligado ao borne COM e o vermelho na função desejada. Observe que os bornes do multímetro também apresentam essas cores. Geralmente, cada uma das funções do multímetro é representada pelas suas respectivas unidades no SI. Por exemplo, a função ohmímetro é representada por Ω, pois a - Multímetro - 8
2 unidade de resistência elétrica é o ohm, cujo símbolo é a letra do alfabeto grego ômega maiúscula. Nesta aula, e em aulas futuras, utilizaremos o multímetro digital para a realização de algumas medidas elétricas. Para tanto, começaremos a estudar suas três principais funções que são o ohmímetro, voltímetro e o amperímetro Ohmímetro O ohmímetro é um instrumento utilizado para fins de medida de resistência elétrica. Lembre-se que resistência elétrica é a propriedade que tem toda substância (exceto os supercondutores) de se opor à passagem de corrente elétrica, e que é definida, em um corpo determinado, pelo quociente da tensão contínua aplicada às suas extremidades pela corrente elétrica que o atravessa. Para realizarmos medidas de resistência elétrica de um componente eletrônico (um resistor, por exemplo) devemos sempre nos certificar de que o componente ou o circuito elétrico que ele esteja inserido encontra-se não energizado, pois, do contrário, poderá o aparelho ser danificado. O ohmímetro deverá ser ligado, através das pontas de prova, ao elemento que se queira verificar sua resistência de modo que fiquem em paralelo. A figura 2.2 mostra, em destaque, a função ohmímetro com suas escalas e os dois bornes a serem utilizados com as pontas de prova. O número 200 que aparece ao lado esquerdo da escala indica que poderemos fazer uma medida de resistência elétrica desde que o valor não ultrapasse 200 Ω. Ainda na figura 2.2, a chave seletora aponta para o valor 20k. Isso significa que poderemos efetuar uma medida de até 20 kω (vinte quilohms ou vinte mil ohms). O mesmo raciocínio se aplica às demais escalas, sendo que 2M e 20M significam, respectivamente, dois megaohms e vinte megaohms (2 MΩ e 20 MΩ). Fig Painel do multímetro com a função ohmímetro em destaque. Cabe ao usuário determinar qual escala será melhor empregada, pois, por exemplo, podemos medir uma resistência de 150 Ω utilizando a escala de 20k, porém, a precisão da leitura será prejudicada. Então, nesse caso, a melhor escala é a de 200. A figura 2.3 ilustra como efetuar a medida da resistência elétrica de um resistor. Basta conectar diretamente as pontas de prova aos terminais do resistor, lembrando que este não deve estar energizado. Obs.: Evite o contato com as mãos aos terminais do resistor no momento da medida, pois, dependendo do valor desse resistor, a resistência medida será a equivalente entre o resistor e o corpo humano, já que este apresenta também uma resistência elétrica. - Multímetro - 9
3 1.57 kω Fig Simulação da medida da resistência de um resistor. Alguns resistores apresentam impressos em seus corpos os valores nominais de suas resistências, sejam em números ou em códigos. O tópico trata da leitura e interpretação desses códigos Voltímetro Voltímetro é um instrumento para medir a diferença de potencial elétrico (ddp) entre dois pontos. A ddp, também conhecida por tensão elétrica ou voltagem, tem como unidade de medida, no SI, o volt (V). No laboratório de Física III trabalharemos basicamente com dois tipos de sinais elétricos: a tensão contínua (tensão que permanece inalterada no domínio do tempo) e a tensão alternada (como o próprio nome sugere, é a tensão que alterna entre positivo e negativo ao longo do tempo o tipo mais usual é a senoidal). Os multímetros digitais mais comuns apresentam os símbolos VAC (Voltage Alternating Current voltagem de corrente alternada) ou para indicar as medidas de tensão alternada e os símbolos VDC (Voltage Direct Current voltagem de corrente contínua) ou para indicar as medidas de tensão contínua. As medidas da ddp, tanto contínua quanto alternada, são realizadas conectando o voltímetro em paralelo com o elemento a ser analisado. As pontas de prova são colocadas nos pontos entre os quais se deseja medir a tensão. Vale ressaltar que um voltímetro ideal é aquele que possui resistência interna infinita para não interferir no circuito que está sendo monitorado. A figura 2.4 mostra, em destaque, a função voltímetro (para as tensões alternada e contínua), com suas escalas e os dois bornes a serem utilizados com as pontas de prova. Nesta figura a chave seletora aponta para a escala de 750 V em tensão alternada. Isto significa que o aparelho está apto a realizar medidas de tensão que não ultrapasse os 750 volts AC. Para medidas de tensão contínua este aparelho, tomado como exemplo, pode medir até 1000 V. Observe, ainda na figura 2.4, que nas escalas de ambas as funções (alternada e contínua) aparece o número 200m. Seu significado é 200 milivolts, ou seja, podemos efetuar uma medida de tensão (com considerável precisão) até 200 mv. Obs.: Por precaução, sempre selecione a maior escala de tensão quando não se saiba o máximo valor que uma determinada fonte pode estar fornecendo. As medidas obtidas nesse momento lhe indicarão se há a possibilidade de diminuir a escala e, com isso, melhorar a precisão da leitura. - Multímetro - 10
4 Fig Painel do multímetro com a função voltímetro em destaque. A figura 2.5 mostra um circuito elétrico constituído de uma fonte de tensão contínua e dois resistores de valores diferentes. O voltímetro registra a tensão elétrica sobre o resistor R 2. Repare como é feita a ligação entre o voltímetro e o resistor (ligação paralela). Se invertermos a posição dos fios aparecerá um sinal negativo na leitura, indicando inversão de polaridade V R 1 R 2 20 V Fig Simulação da medida de tensão sobre um resistor. Consulte o apêndice A para verificar a simbologia utilizada em circuitos elétricos Amperímetro O amperímetro é um instrumento utilizado para medir a intensidade de corrente elétrica que circula por um condutor. A unidade de medida, no SI, para a intensidade de corrente elétrica ou amperagem é o ampère (A). Como a corrente elétrica passa através dos condutores e dispositivos ligados a eles, deve-se colocar o amperímetro em série com o elemento em que se quer aferir a corrente que o atravessa, sendo necessário abrir o circuito no local da medida. Por isso, para as medições serem precisas, é esperado que o amperímetro tenha uma resistência muito pequena comparada à do circuito. O amperímetro ideal é aquele que possui resistência interna nula, não influenciando, portanto, no circuito a ser medido. Amperímetros podem medir correntes contínuas ou alternadas. Dependendo da qualidade do aparelho, pode possuir várias escalas que permitem seu ajuste para medidas com a máxima precisão possível. - Multímetro - 11
5 A figura 2.6 mostra, em destaque, a função amperímetro (para as correntes alternada e contínua), com suas escalas e os bornes a serem utilizados com as pontas de prova. Fig Painel do multímetro com a função amperímetro em destaque. Observe, ainda na figura 2.6, que a escala à direita é para corrente contínua e à esquerda é para corrente alternada. Para esse modelo de multímetro são utilizados os bornes COM juntamente com o borne µa ma para medidas de corrente inferiores a 200 miliampères. Para medidas de corrente acima de 200 ma até 20 A, utiliza-se o par de bornes COM e 20A com a chave seletora na posição 20A (observe que na escala há uma marca com dois valores 20m/20A tanto para corrente contínua quanto para corrente alternada). A figura 2.7 mostra um circuito elétrico constituído de uma fonte de tensão contínua e dois resistores de valores diferentes. O amperímetro registra a corrente elétrica que atravessa os resistores R 1 e R 2. Repare como é feita a ligação entre o amperímetro e o circuito (ligação série). Se invertermos a posição dos fios aparecerá um sinal negativo na leitura, indicando inversão de polaridade. 1 R ma 20 V R 1 2 Fig Simulação da medida de corrente em um ramo do circuito elétrico. Note que o amperímetro poderia ser inserido nos pontos 1 ou 2 e, mesmo assim, a leitura efetuada seria a mesma, já que o circuito oferece um único caminho a ser percorrido pela corrente. Desse modo, poder-se-ia dizer que a corrente que atravessa R 1 seria igual à corrente que atravessa R 2, ou seja, = I 13,61 ma. I 1 R2 R = - Multímetro - 12
6 Obs.: Por precaução, sempre selecione a maior escala de corrente quando não se saiba o valor que será aferido. As medidas obtidas nesse momento lhe indicarão se há a possibilidade de diminuir a escala e, com isso, melhorar a precisão da leitura.! Nunca coloque um amperímetro em paralelo com um componente energizado, pois isso pode danificá-lo seriamente Resistores Um resistor (chamado de resistência em alguns casos) é um dispositivo elétrico muito utilizado em eletrônica, com a finalidade de limitar a corrente elétrica em um ramo de um circuito. Os resistores podem ser fixos ou variáveis e, neste caso, são chamados de potenciômetros ou reostatos (o seu valor nominal é alterado ao girar um eixo ou deslizar uma alavanca). Alguns resistores são longos e finos, com o material resistivo colocado ao centro, e uma perna de metal ligada em cada extremidade. Este tipo de encapsulamento é chamado de encapsulamento axial. Resistores usados em computadores e outros dispositivos são tipicamente muito menores, freqüentemente são utilizadas tecnologias de montagem em superfície (Surface-Mount Technology), ou SMT, esse tipo de resistor não tem perna de metal. Resistores de potência maior são feitos mais robustos para dissipar calor de maneira mais eficiente, mas eles seguem basicamente a mesma estrutura. O valor de um resistor de carbono pode ser facilmente determinado de acordo com as cores que apresenta na cápsula que envolve o material resistivo. Essas cores são o que chamamos de código de cores para resistores (que será visto mais adiante). Resistores padrões são vendidos com capacidades variando desde uns poucos miliohms até cerca de um gigaohm; apenas uma série limitada de valores, chamados valores preferenciais, está disponível. Resistores são freqüentemente marcados com sua tolerância (a variação máxima esperada da resistência marcada). Em resistores codificados com cores, uma faixa prateada demonstra uma tolerância de 10%, uma faixa dourada significa 5% de tolerância, uma faixa vermelha marca 2% e uma faixa marrom significa 1% de tolerância. Resistores com tolerâncias menores são chamados de resistores de precisão. Um resistor tem uma voltagem e corrente máximas de trabalho, acima das quais a resistência pode mudar (drasticamente, em alguns casos) ou o resistor pode se danificar fisicamente (queimar, por exemplo). Embora alguns resistores tenham as taxas de voltagem e corrente especificadas, a maioria deles é taxada em função de sua potência máxima, que é determinada pelo tamanho físico. As taxas mais comuns para resistores de composição de carbono e filme de metal (material resistivo) são de 1/8 watt, 1/4 watt e 1/2 watt. Resistores de filme de metal são mais estáveis que os de carbono, com relação a mudanças de temperatura. Resistores maiores são capazes de dissipar mais calor devido sua área superficial ser maior Código de cores A figura 2.8 mostra um resistor de carbono típico, e o significado de cada uma de suas quatro faixas de cores. 1º algarismo 2º algarismo Tolerância Fator multiplicativo Fig Resistor de carbono e o significado das faixas do código de cores. O valor referente a cada cor é apresentado na tabela Multímetro - 13
7 Tabela Código de cores para resistores. COR 1º 2º FATOR MULTIPLICATIVO Preto 0 x 1 Ω Marrom 1 1 x 10 1 Ω Laboratório de Física III TOLERÂNCIA ± 1% Vermelho 2 2 x 10 2 Ω ± 2% Laranja 3 3 x 10 3 Ω Amarelo 4 4 x 10 4 Ω Verde 5 5 x 10 5 Ω Azul 6 6 Violeta 7 7 x 10 6 Ω Cinza 8 8 Branco 9 9 Ouro Prata x 10-1 Ω x 10-2 Ω ± 5% ± 10% A figura 2.9 ilustra como efetuar a leitura utilizando o código de cores. A primeira faixa à esquerda (marrom) representa o primeiro algarismo do valor nominal da resistência (valor 1); a segunda faixa (preto) representa o segundo algarismo do valor nominal da resistência (valor 0); a terceira faixa (vermelho) representa o fator multiplicativo (x 100) e a última faixa (ouro), à direita, representa a tolerância (± 5%). Assim, o valor nominal desse resistor é 1000 ± 50 Ω. marrom preto ouro vermelho Fig Utilizando o código de cores para resistores. A figura 2.10 mostra outro exemplo de utilização do código de cores. A primeira faixa à esquerda (amarelo) representa o primeiro algarismo do valor nominal da resistência (vale 4); a segunda faixa (violeta) representa o segundo algarismo (vale 7); a terceira faixa (verde) representa o fator multiplicativo (x ) e a última faixa (prata), à direita, representa a tolerância (± 10%). Logo, o valor nominal desse resistor é ± Ω. amarelo violeta prata verde Fig Utilizando o código de cores para resistores. É muito comum se usar os múltiplos do ohm, quilohm (kω) e o megaohm (MΩ) para valores nominais. Assim, para o resistor da figura 2.9 podemos dizer que sua resistência nominal é de 1 kω, enquanto que o resistor da figura 2.10 tem uma resistência de 4,7 MΩ. Alguns resistores não apresentam códigos de cores, mas sim uma inscrição alfanumérica. Por exemplo, inscrições do tipo 4K7 (4,7 kω); 18K (18 kω); 1M (1 MΩ); 3M3 (3,3 MΩ); 2R2 (2,2 Ω); 3R3 (3,3 Ω) e 0R5 (0,5 Ω) são bastante utilizadas. Em revistas de eletrônica também se usa muito este tipo notação. Obs.: Inicie a leitura pela faixa mais próxima da extremidade do resistor. - Multímetro - 14
8 2.7 - Parte experimental Laboratório de Física III Material necessário Multímetro digital; Fonte ajustável de tensão contínua; Fonte de tensão alternada; Placa de bornes; Pilha; Resistores Procedimento experimental Antes de qualquer medida, selecione corretamente a função adequada (voltímetro, amperímetro ou ohmímetro). Uma vez selecionada a função, inicie a medida sempre com a escala de maior valor Medidas de Resistência 1. Ajuste o multímetro para a medida de resistência; 2. Meça o valor dos resistores apresentados (fixe-os antes na placa de bornes); 3. Faça a leitura dos resistores utilizando o código de cores e compare com os resultados obtidos através do multímetro Medidas de tensões contínua e alternada Tensão contínua: 1. Ajuste o aparelho para medir tensão contínua; 2. Selecione a escala adequada e meça a ddp da pilha e da saída da fonte de tensão contínua utilizando diferentes escalas; 3. Apresente os resultados com as incertezas correspondentes. Tensão alternada: 1. Ajuste o aparelho para medir tensão alternada; 2. Selecione a escala adequada e meça a tensão da fonte alternada; 3. Apresente os resultados com as incertezas correspondentes Medidas de corrente contínua 1. Monte o circuito mostrado na figura 2.11; 2. Ajuste o aparelho para medir corrente contínua e selecione a escala adequada; 3. Conecte o multímetro em série no circuito e meça o valor da corrente utilizando diferentes escalas; 4. Apresente os resultados com as incertezas correspondentes. 1 kω 4,7 kω 10 V Fig Circuito elétrico com resistores ligados em série. - Multímetro - 15