Experimento de Fisica - Eletricidade
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Universidade Federal do Pará
Campus Universitário de Tucuruí
Faculdade de Engenharia Mecânica
Relatório
DISCIPLINA – Laboratório Básico II
PROF. Wellington Fonseca
Edson Junior Rodrigues Cantão (09133002418)
Flávio Ferreira Machado (09133000418)
Hortência Noronha dos Santos (09133003218)
Nicki Robbers D. C. Moraes (09133000118)
Tucuruí,
Maio de 2011
1
Edson Junior Rodrigues Cantão
Flávio Ferreira Machado
Hortencia Noronha dos Santos
Nicki Robbers D. C. Moraes
Relatório
Relatório da Disciplina
Laboratório Básico II
ministrada pelo Prof. Wellington Fonseca.
Tucuruí,
Maio de 2011
2
Sumário
Introdução .......................................................................................................... 03
Experimentos lúdicos com o Gerador de Van der Graaff........................... 04
Experimento de associação de lâmpadas ........................................................ 13
Circuito em paralelo ...................................................................... 13
Circuito em série ..................................................................... 15
Experimento de função do fusível (efeito joule) ............................................ 16
Experimento de resistores (código de cores) ............................................... 18
Experimento da lei de ohm ................................................................................. 19
Experimento do resistor não-ohmico .................................................................. 23
Experimento de associações de resistências elétricas (resistores) ................... 25
Experimento da resistência oferecida por um diodo e sua polarização .......... 28
Experimento de medições em circuitos elétricos e potência elétrica .............. 30
Experimento da ação da força eletromagnética no balanço condutor imerso num
campo magnético, quando por ele circula uma corrente elétrica .................. 33
Experimento do motor elétrico de corrente contínua ................................... 35
Experimento no Laboratório Weg (05/05/2011) ............................................... 40
Conclusão .............................................................................................................. 41
Referências consultadas ...................................................................................... 42
3
Introdução
O curso de Laboratório Básico II será tratado com os assuntos pertinentes à
eletricidade, como base a eletrostática e eletrodinâmica tendo a supervisão do professor
nos procedimentos pertinentes a cada experimento.
Seguindo um roteiro de aulas experimentais será possível compreender melhor
fenômenos que em sua maioria não são perceptíveis a olho nu. Para tal é necessário
seguir com rigor as etapas de cada experimento. Se necessário, o uso de algum software
poderá auxiliar em alguma etapa para melhor entendimento das conclusões que se
obtêm por meios dos experimentos.
Ao final do curso, um experimento – que deve ser feito com o menor custo
possível - elaborado por cada grupo dará ênfase a um dos assuntos tratados em
laboratório.
4
Experimentos lúdicos com o Gerador de Van der Graaff
Há materiais onde os elétrons não se movem facilmente. Esses materiais são
chamados de isolantes, mas há outros materiais que permitem que essas cargas se
movam facilmente, como acontecem nos metais, esses materiais são chamados de
condutores. Ao serem produzidas, as cargas permanecem na superfície do material
isolante, até que sejam retiradas por um corpo condutor. Este fato é aproveitado para a
construção dos geradores eletrostáticos do tipo Van der Graaff; tendo aparecido em
1930, destinam-se a produzir voltagens muito elevadas para serem usadas em
experiências de física.
O princípio de funcionamento desse equipamento é da seguinte forma: um motor
faz rodar uma esteira de borracha (isolante) que é friccionada em um conjunto de pontas
metálicas que fornecem cargas à correia e estas são levadas para a parte interna da
cúpula metálica que está num potencial negativo muito alto comparado com o potencial
do solo através de novas descargas elétricas que ocorrem em novas pontas metálicas que
estão no interior da cúpula. Estas cargas são conduzidas para a superfície externa da
cúpula. Como as cargas são transportadas continuamente pela correia, elas vão se
acumulando na esfera.
O esquema de funcionamento do gerador está mostrado conforme a figura:
5
1 esfera de metal;
2 eletrodo conectado a esfera, com uma escova na ponta para assegurar a ligação entre a
esfera e a correia;
3 rolete superior;
4 lado positivo da correia;
5 lado negativo da correia;
6 rolete inferior;
7 eletrodo inferior;
8 bastão terminado em esfera usado para descarregar a cúpula;
9 faísca produzida pela diferença de potencial.
Materiais
01 – Gerador de Van der Graaff
01 – Lâmpada fluorescente
01 – Garrafa PET
01 – Isopor cortado em pequenos pedaços
Papel cortado em tiras
01 – Rolo de fita crepe
01 – Esfera metálica com percevejo
01 – Torniquete elétrico
Experimento - Lâmpada fluorescente
Ao realizar esse experimento, utilizamos o gerador de Van der Graaff, e após
ligá-lo, aproximamos uma lâmpada fluorescente que se acendeu. Isso acontece porque
como o potencial elétrico gerado pela esfera carregada tem simetria radial, e decai com
6
o inverso da distância, as duas extremidades da lâmpada estarão sujeitas a potenciais
diferentes, e conseqüentemente uma d.d.p.(diferença de potencial) aparece entre as
extremidades que eletriza o gás no interior da lâmpada liberando energia na forma de
luz. É importante ressaltar que a lâmpada emite luz até o limite onde a mão entra em
contato com a lâmpada.
Experimento – „‟Chafariz‟‟ com bolinhas de isopor
Foi utilizada uma garrafa PET que continha pedaços de isopor, que ao aproximar
do gerador, passam a ter cargas de mesmo sinal, conseqüentemente, sofrem um efeito de
repulsão elétrica.
Experimento – Elevando tiras de papel
Foram fixados com fita crepe tiras de papel, em torno do gerador de Van der
Graaff, na parte que é mais conhecida como “Linha de Equador” do gerador. Ao ligá-lo
foi observado que as tiras de papel tendiam a se afastar do gerador, por apresentarem
cargas iguais, efeito da repulsão elétrica.
Experimento – Simulando pára raios
Para realizar esse experimento, utilizamos além do gerador, uma esfera metálica
com um percevejo, e ao aproximarmos a esfera do gerador, produziu faíscas. Ao
aproximar o lado da esfera que continha o percevejo e foi verificado que as faíscas
somente apareciam caso o mesmo estivesse muito próximo do gerador. O gás em
questão é o ar atmosférico. No momento em que aproximamos o bastão de teste ao
Gerador ocorreu uma transferência visível de elétrons de um corpo para o outro. Essa
transferência é denominada descarga elétrica, que é o rompimento de elétrons no ar.
Experimento – Arrepiando o cabelo
7
Quando uma pessoa coloca as mãos na esfera, o sistema pessoa-esfera fica
carregado negativamente; os cabelos ficam arrepiados, pois as cargas tendem a se
acumular nas pontas e se repelem por terem o mesmo sinal.
O gerador tem tipo uma escada rolante uns roletes isolantes, em que ficam
eletrizadas, com esse atrito gera-se energia. Estes roletes são ligados a uma esfera
metálica, em que atrai corpos de carga oposta. Quando você põe sua mão no gerador
(gera muita energia), a eletricidade circula no seu corpo, e a tendência dela é sair, ser
liberada para o meio externo para igualar as cargas, e os cabelos são a porta mais fácil
de saída dos elétrons.
Experimento – “Vento elétrico” (torniquete)
Foi utilizado o gerador e um torniquete elétrico. Ao ligar o gerador, foi
observado que o torniquete começou a rotacionar. Este é constituído por um conjunto de
fios metálicos terminados em pontas que são dobradas todas num mesmo sentido. Esses
fios são solidários entre si, e são articulados com uma haste vertical h, de maneira que
possam girar livremente num plano horizontal. Liga-se a haste h ao terminal negativo de
uma máquina eletrostática, no caso, o Gerador de Van der Graaff. Cada ponta, sendo
negativa, exerce sobre as moléculas de ar próximas a ação já explicada acima,
produzindo-se o vento elétrico em torno de cada ponta.
Os íons positivos e as moléculas neutras de ar que se deslocam, ao se chocarem
com as pontas, exercem forças sobre elas. Essas forças põem o torniquete em
movimento de rotação, em sentido contrário ao das pontas.
8
1) O que se entende por campo elétrico? Por que dizemos que o campo elétrico
é um campo conservativo?
É importante neste momento, fazer uma analogia entre o campo elétrico e o campo
gravitacional de um planeta. Ao redor de um planeta, existe um campo gravitacional
devido a sua massa, análogo ao campo elétrico que existe em torno de uma esfera
eletrizada. Percebemos então, uma analogia entre as grandezas físicas de massa e carga
elétrica, como sendo responsáveis por gerar o campo gravitacional e elétrico
respectivamente.
Para definir, matematicamente, o campo elétrico é necessário definirmos uma
grandeza física que o represente. Esta grandeza é o vetor campo elétrico. Considerando
a definição utilizada anteriormente, o vetor campo elétrico é dado por:
𝐄 = 𝐅
𝐪
Lembrando que E e F são vetores
A força F, à qual a carga q fica submetida será atrativa ou repulsiva, dependendo do
sinal de q.
A direção do vetor campo elétrico terá a mesma direção da reta que une o ponto
considerado e a carga de geradora (Q). Já o sentido do vetor campo elétrico, depende do
sinal da carga geradora (Q).
O campo elétrico gerado por uma carga elétrica (Q) positiva é de afastamento e, o
campo elétrico gerado por uma carga elétrica (Q) negativa é de aproximação. O sentido
do campo elétrico independe do sinal da carga (q) que sofre a ação da força F.
2) O que se entende por linhas de força de um campo elétrico?
O conceito de linhas de força foi introduzido pelo físico inglês M. Faraday, no
século passado, com a finalidade de representar o campo elétrico através de
diagramas. Para que possamos compreender esta concepção de Faraday, suponhamos
uma carga puntual positiva Q criando um campo elétrico no espaço em torno dela.
9
Como sabemos, em cada ponto deste espaço temos um vetor 𝐸 , cujo módulo
diminui à medida que nos afastamos da carga. Na figura (a) estão representados estes
vetores em alguns pontos em torno de Q.
Consideremos os vetores 𝐸 1, 𝐸 2, 𝐸 3 etc., que tem a mesma direção, e tracemos uma
linha passando por estes vetores e orientada no mesmo sentido deles, como mostra a
figura (b). Esta linha é então é tangente a cada um dos vetores 𝐸 1, 𝐸 2, 𝐸 3 etc. Uma linha
como esta é denominada linha de força do campo elétrico. De maneira semelhante,
podemos traçar várias outras linhas de força do campo elétrico criado pela carga Q,
como foi feito na figura (b). Esta figura nos fornece uma representação do campo
elétrico da maneira proposta por Faraday.
3) Cite três propriedades das linhas de força do campo elétrico.
As cargas de prova positivas se encontram em movimento dentro de um campo
elétrico. A partir da trajetória dessas cargas, traçam-se linhas que são denominadas
linhas de força, que têm as seguintes propriedades:
1. Saem de cargas positivas e chegam até as cargas negativas;
2. As linhas são tangenciadas pelo campo elétrico;
3. Duas linhas de força nunca se cruzam.
10
4) Na figura abaixo se encontram representadas algumas linhas de força de
um suposto campo elétrico. Assinale a região onde o campo elétrico
representado é mais intenso. Desenhe a orientação do vetor campo elétrico
E nos pontos assinalados de P1 a P5.
Quanto mais próxima de Q mais intensa será a força sobre a "carga de prova q" e,
inversamente, será tanto menos intensa quanto mais afastada de Q.
Lei do Inverso do Quadrado da Distância: (1/d²). No exemplo da figura temos P3
como região mais intensa do campo elétrico.
5) Caso abandonássemos uma carga no interior deste campo, trace as possíveis
trajetórias que a mesma teria se a carga fosse positiva.
11
6) Caso abandonássemos uma carga no interior deste campo, trace as possíveis
trajetórias que a mesma teria se a carga fosse negativa.
7) Ligue o aparelho de Van Der Graaff e aproxime a esfera menor da cabeça
do gerador. Observe o fenômeno e justifique.
Quando o Gerador de Van Der Graaff está em funcionamento e aproximamos a
esfera menor da cabeça do aparelho surgem descargas elétricas e estalos. Quando ocorre
a descarga através da formação de um fino canal ionizado no ar, o ar no interior desse
canal atinge temperaturas muito elevadas, de milhares de graus Celsius.
Esse mesmo ar no interior do canal estava na temperatura ambiente antes da
descarga e, portanto há uma rapidíssima elevação da temperatura do gás dentro do canal
no momento da descarga. Ao aumentar bruscamente a temperatura de um gás, a pressão
cresce. Portanto, o ar dentro do canal, devido à elevação da pressão se expande
violentamente, produzindo uma expansão brusca. O estalo que ouvimos é decorrência
dessa expansão brusca, uma pequena explosão que gera uma onda sonora.
A descarga ocorre devido à eletricidade estática em nuvens, o canal ionizado é
muito maior e a energia liberada é muitas ordens de grandeza maior do que a energia
liberada em um pequeno gerador de van der Graaff. A expansão brusca do canal
12
ionizado é então uma verdadeira explosão, gerando uma onda sonora de grande
intensidade, o trovão. Ou seja, os estalos do gerador são trovões em miniatura.
8) Justifique o fato de a mistura gasosa envolvente (ar atmosférico) passar de
isolante a condutora de eletricidade.
O ar tem uma resistência muito alta, impedindo que a corrente passe por ele. Mas
para tensões muito altas (como exemplo, um raio) o ar vira um condutor.
Comportamento semelhante de um material dielétrico. Um gerador de Van de Graaff
produz uma tensão alta o suficiente para "atravessar" o ar.
9) No momento que o gás deixa de ser isolante, o campo elétrico possui certo
valor entre os eletrodos. Como denominamos o maior valor que o campo elétrico
pode assumir sobre o material isolante, sem que o material conduza eletricidade?
A rigidez dielétrica de certo material é um valor limite de campo elétrico aplicado
sobre a espessura do material (kV/mm), sendo que, a partir deste valor, os átomos que
compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um
isolante.
10) Justifique o ruído e a cor azulada verificados durante a descarga elétrica
ocorrida no ar.
Quando ocorre a descarga através da formação de um fino canal ionizado no ar,
o ar no interior desse canal atinge temperaturas muito elevadas, de milhares de graus
Celsius. Esse mesmo ar no interior do canal estava na temperatura ambiente antes da
descarga e, portanto há uma rapidíssima elevação da temperatura do gás dentro do canal
no momento da descarga. Ao aumentar bruscamente a temperatura de um gás, a pressão
cresce. Portanto, o ar dentro do canal, devido à elevação da pressão se expande
violentamente, produzindo uma expansão brusca.
O estalo que ouvimos é decorrência dessa expansão brusca, uma pequena
explosão que gera uma onda sonora. Quando a energia passa por ele, ioniza as
13
moléculas de ar. Os átomos estimulados recebem energia suficiente para liberar elétrons
permitindo a passagem da corrente. Quando os elétrons voltam para sua respectiva
camada de valência, emitem de volta a energia em forma de luz visível, no caso, numa
freqüência azulada.
11) Como denominamos o ruído e a cor azulada que surgem durante a
descarga quando este fenômeno ocorre na natureza?
Quando a descarga ocorre devido à eletricidade estática em nuvens, o canal
ionizado é muito maior e a energia liberada é muitas ordens de grandeza maior do que a
energia liberada em um pequeno gerador de van der Graaff. A expansão brusca do canal
ionizado é então uma verdadeira explosão, gerando uma onda sonora de grande
intensidade, o trovão. Ou seja, os estalos do gerador são trovões em miniatura.
É exatamente o que acontece com um raio num dia chuvoso, mas em proporções
bem menores.
EXPERIMENTO II – ASSOCIAÇÃO DE LÂMPADAS
CIRCUITO EM PARALELO
Em nosso dia-a-dia utilizamos vários aparelhos elétricos onde são empregados
circuitos com dois ou mais resistores. Em muitos destes circuitos, um único resistor
deve ser percorrido por uma corrente elétrica maior que a suportada, e nestes casos
utiliza-se uma associação de resistores. Em outras aplicações vários resistores são
ligados um em seguida do outro para obter o circuito desejado, como é o caso das
lâmpadas decorativas de natal.
Os resistores podem ser associados basicamente de três maneiras diferentes:
Associação em série, associação em paralelo e associação mista.
Materiais
- painel para associações elétricas Balen;
- cabo elétricos de conexão;
14
- fonte de alimentação;
- um multiteste regulado para voltímetro, numa escala capaz de detectar 2.2
VCC.
1) Classificar o tipo de associação elétrica existente entre as lâmpadas.
Associação em paralelo.
2) Feche o circuito e descreva o ocorrido quando a lâmpada L2 é retirada e
recolocada no circuito (procure descrever o ocorrido).
Por estarem em paralelo às lâmpadas L1 e L3 acendem normalmente, mas com
maior intensidade. Pois a corrente que passava em L2 se distribui entre L1 e L3.
3) A sua observação vale também para a lâmpada L1? Experimente?
Vale a mesma consideração por estarem em paralelo. L2 e L3 acendem
normalmente.
4) Caso você construísse dois circuitos elétricos, um em série e outro em
paralelo, em qual deles a remoção de uma lâmpada não apagaria as
demais?
No circuito em paralelo
5) Sob uma mesma tensão, em qual das associações estudadas as lâmpadas
brilhariam mais?
Em série
6) Em sua casa, quando uma lâmpada queima, as demais lâmpadas se
apagam? Com base em sua resposta qual o tipo de ligação existente em sua
casa?
15
Não, pois apresenta uma associação em paralelo.
CIRCUITO EM SÉRIE
1) Identifique o tipo de associação existente entre as lâmpadas L1, L2, e L3.
Associação em série
2) Determine a tensão entre os pontos A e B.
Na fonte 2,2 v e no voltímetro entre 3,45v e 3,5v. As lâmpadas apresentam
resistências diferentes, logo dependendo da alimentação na fonte, algumas brilham mais
do que outras.
3) Ligue a chave e descreva o ocorrido quando a lâmpada L2 é retirada e
recolocada no suporte (procure descrever o ocorrido).
Não acendeu nenhuma lâmpada, porque a associação está em série. O fato se deve á
interrupção no fluxo da corrente elétrica.
4) A sua observação vale também para a lâmpada L1? Experimente.
Também não acendeu nenhuma lâmpada quando retirado L1, pois o sistema está em
série.
5) Caso um circuito possuísse 20 lâmpadas em série (como as existentes na
maioria dos enfeites de Natal) e uma das lâmpadas “queimasse”, o que
aconteceria com as demais lâmpadas do circuito? Procure justificar.
Quando há uma associação em série, qualquer lâmpada que esteja queimada
impossibilita o acendimento das demais.
16
EXPERIMENTO III – FUNÇÃO DO FUSÍVEL (EFEITO JOULE)
Em eletrônica e em engenharia elétrica fusível é um dispositivo de proteção contra
sobrecorrente em circuitos. Consiste de um filamento ou lâmina de um metal ou liga
metálica de baixo ponto de fusão que se intercala em um ponto determinado de uma
instalação elétrica para que se funda, por efeito Joule, quando a intensidade de corrente
elétrica superar, devido a um curto-circuito ou sobrecarga, um determinado valor que
poderia danificar a integridade dos condutores com o risco de incêndio ou destruição de
outros elementos do circuito.
Fusíveis e outros dispositivos de proteção contra sobre corrente são uma parte
essencial de um sistema de distribuição de energia para prevenir incêndios ou danos a
outros elementos do circuito.
Materiais
- painel para associações elétricas Balen;
- cabo elétricos de conexão;
02- garras jacaré;
01- fonte de alimentação CC tipo EQ030 , ajustada para 2.2 VCC;
- voltímetro;
01- multiteste regulado para Voltímetro, numa escala capaz de detectar 2.2
VCC;
- palha de aço.
Medição feita em corrente alternada com precisão de 200mv medido no voltímetro.
1) Descreva o observado com o fio da palha de aço.
Aumentando a tensão na fonte a palha de aço (fusível) queima com uma
alimentação de 7 volts .
2) Qual a função de um filamento em uma lâmpada de filamento?
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Em lâmpadas incandescentes o filamento é composto por tungstênio. Tal filamento
é responsável por gerar energia luminosa quando a lâmpada é alimentada por uma
corrente elétrica, mas há também perda de energia em forma de calor, portanto este tipo
de lâmpada não é eficiente.
3) Quando você aumenta a quantidade de lâmpadas em paralelo, o que
acontece com a intensidade da corrente elétrica que circula no circuito?
Diminui a intensidade da corrente elétrica, pois aumenta a resistência.
4) De que modalidade de energia se origina a energia térmica que aquece os
elementos de um circuito elétrico?
Energia elétrica
5) O que aconteceria com os fios de sua residência se você fosse colocando
lâmpadas, motores, chuveiro elétrico, ventiladores, rádios, TVs e outros
eletrodomésticos a funcionarem ao mesmo tempo?
Aumentaria a intensidade da corrente elétrica, o que pode causar sobrecarga e
posteriormente aquecimento dos fios, podendo gerar incandescência.
6) Qual o perigo que apresenta uma intensidade de corrente elétrica muito
alta num circuito elétrico?
Pode danificar os equipamentos ligados ao circuito
7) Como você pode proteger um circuito elétrico de um excesso de intensidade
de corrente elétrica?
Usando fusível é possível proteger um circuito elétrico do excesso de intensidade da
corrente.
18
EXPERIMENTO IV – RESISTORES (CÓDIGO DE CORES)
Enquanto as resistências bobinadas constituídas por um fio metálico enrolado
sobre um suporte isolante, as resistências de carvão são constituídas basicamente de
grafite (carvão) comprimida, revestida por uma camada isolante de cerâmica. O seu
valor nominal é apresentado por faixas coloridas (código de cores), que obedecem ao
seguinte critério: partindo da extremidade, as duas primeiras cores formam um número
com dois algarismos; a terceira cor corresponde ao expoente da potência de 10 que
multiplica o número inicial; a quarta cor corresponde à tolerância que mostra,
percentualmente, a faixa de valores em que pode variar a resistência do resistor.
Materiais
- painel para associações elétricas Balen;
1) Utilizando o código de cores, determine a faixa em que o valor da
resistência R1 do painel esta compreendido.
10x101Ω± 5%
2) Preencha a tabela a seguir, onde R1 a R8 representam o conjunto de 8
resistores cujos valores estejam indicados pelo código de cores.
19
EXPERIMENTO V – LEI DE OHM
Observa-se, em uma grande família de condutores que, alterando-se a ddp (V) nas
extremidades destes materiais altera-se a intensidade da corrente elétrica i, onde as duas
grandezas variam proporcionalmente, isto é, o gráfico de V versus i é uma reta e,
portanto eles obedecem à lei de Ôhm.
Materiais
- painel para associações elétricas Balen;
- cabo elétricos de conexão;
R1 Marrom 1 Preto 0 Marrom 101
Ouro 5% 10x10
1Ω
± 5%
R2 Amarelo 4 Violeta 7 Laranja 103
Prata 10% 4,7x10
4
Ω±10%
R3 Vermelho 2 Violeta 7 Marrom 101
Ouro 5% 2,7x10
2
Ω±5%
R4 I Marrom 1 Preto 0 Marrom 101
Ouro 5% 10x10
1
Ω±5%
R4 II Marrom 1 Preto 0 Marrom 101
Ouro 5% 10x10
1
Ω±5%
R4
(final) Marrom 1 Preto 0 Marrom 10
1 Ouro 5%
5X101
Ω±2,5%
R5 Marrom 1 Preto 0 Marrom 101
Ouro 5% 1x10
2
Ω±5%
R6 Marrom 1 Preto 0 Marrom 101
Ouro 5% 1x10
2
Ω±5%
R7 Cinza 8 Vermelho 2 Vermelho 102
Ouro 5% 8,2x10
3
Ω±5%
R8 Amarelo 4 Violeta 7 Vermelho 102
Ouro 5% 4,7x10
3
Ω±5%
20
- fonte de alimentação.
- amperímetro.
1) Como você chamaria este tipo de associação elétrica existente entre a chave
liga-desliga, resistência e o amperímetro?
Associação em série
2) Nesta atividade você irá considerar o condutor denominado R1
compreendido entre os pontos 1 e 5 do painel.Ligue a chave auxiliar e
descreva o observado no amperímetro.
Ajustando os fios de conexão conectados ao resistor e interligando ao amperímetro e
à fonte. Tem-se na fonte com ajuste mínimo o amperímetro apresentando um valor de
0,8mA com precisão de 200mA.
3) Troque de posição os pinos conectados ao amperímetro. Ligue novamente a
chave auxiliar e descreva o observado.
Apresenta o mesmo valor, porém com sinal inverso
4) O amperímetro aqui utilizado é de um modelo especial (possui inclusive um
indicador de polaridade). O que aconteceria a este instrumento, caso ele
fosse um modelo com ponteiro e o tivéssemos ligado com polaridade
trocada?
O ponteiro fica “batendo” próximo da origem
5) Com base em suas observações e respostas como você diria que se deve ligar
um medidor de corrente (amperímetro) a um circuito de corrente continua?
Tem que observar o ajuste das conexões de fios, pois estes que indicam o sentido da
corrente.
21
6) Regule a fonte de alimentação para 0,5 VCC e anote o valor lido no
amperímetro (em ampère).
Com um ajuste de precisão de 200mA no amperímetro é obtido o valor de 5,2mA
7) Com os dados obtidos complete a primeira linha da Tabela 1
Tabela 1
Tensão aplicada entre os
pontos 1 e 5 em Volt(V)
Intensidade da corrente
em ampère (A)
R=V/i
0,5 5,2 mA 96,1536 Ω
8) Procedendo como no item anterior, eleve a tensão da fonte de 0,5 volt em
0,5 volt, entre 1 e 2,5 VCC.Determinando, para cada caso, o valor da
intensidade de corrente I que circulou pela resistência R1, completando a
Tabela 1.
9) Com os dados da Tabela 1, faça o gráfico V versus I desta resistência.
Tensão aplicada entre os
pontos 1 e 5 em Volt(V)
Intensidade da corrente
em ampère (A)
R=V/i
0,5 5,2 mA 96,1536 Ω
1,0 10,4 mA 96,1538 Ω
1,5 15,4 mA 97,4025 Ω
2,0 20,5 mA 97,5609 Ω
2,5 25,4 mA 98,4251 Ω
22
10) Classifique a figura geométrica obtida no gráfico.
Reta
11) Observando os quocientes obtidos na última coluna da Tabela 1, como você
diria que as grandezas tensão aplicada e a intensidade de corrente
circulante estão relacionadas?
Diretamente proporcionais
12) Qual o significado físico da declividade do gráfico V versus I?
Por ser linear, apresenta para dois parâmetros (tensão e corrente) uma razão
constante
13) Qual a relação existente entre a ddp(V) aplicada à resistência R1 e a
corrente I que por ele circula?
A ddp é diretamente proporcional à resistência e inversamente proporcional à
corrente.
14) Como você classificaria a resistência R1 utilizada nesta atividade?
Justifique sua resposta.
Elemento Resistivo Linear ou Ôhmico, pois a razão entre ddp e corrente é constante.
15) Indique a principal característica de uma resistência classificada como
ôhmica.
Curva para o gráfico V versus I ser linear
16) Após as atividades deste experimento, consulte seus apontamentos e livros e
dê a definição de OHM (a unidade de resistência elétrica) no Sistema
Internacional (SI).
23
Ao aplicar-se uma diferença de potencial (tensão) V, sobre um condutor de
resistência R, circulara sobre este condutor uma corrente elétrica i, sendo o valor da
resistência dada pela equação:
𝑹 = 𝑽
𝒊
Onde V é medida em volts (V), i é medida em ampères (A) e R em ohms (Ω).
Esta equação é uma definição geral de resistência. Ela pode ser utilizada para
qualquer tipo de resistor.
EXPERIMENTO VI – RESISTOR NÃO-OHMICO
Observa-se, em uma grande família de condutores que, alterando-se a ddp (V)
nas extremidades destes materiais altera-se a intensidade da corrente elétrica i, mas a
duas grandezas não variam proporcionalmente, isto é, o gráfico de V versus i não é uma
reta e, portanto eles não obedecem à lei de Ôhm.
Materiais
- painel para associações elétricas Balen;
- cabo elétricos de conexão;
- fonte de alimentação.
- amperímetro.
1) Ligue a chave auxiliar e ele a tensão da fonte de 0,5 volt em 0,5 volt.
Completando a Tabela 2.
Tabela 2
Tensão entre os pontos 11
e 12 (em Volt)
Intensidade da corrente i
(em ampère)
R=V/i
(em Ω)
0,0 0,0016 0
0,5 0,0935 5,3476
1,0 0,1445 6,9204
24
1,5 0,1709 8,7770
2,0 0,1967 10,1677
2,5 0,27 9,2592
3,0 0,29 10,3448
3,5 0,31 11,2903
2) Faça o gráfico V versus I
Compare o gráfico traçado com o de um resistor ôhmico (por exemplo: o
utilizado na atividade “Lei de OHM”) e tire conclusões.
Elemento Resistivo Linear ou Ôhmico
É aquele em que a razão entre a d.d.p. aplicada e a intensidade de corrente que o
atravessa é constante. A resistência R do elemento resistivo é constante; e a curva V x i
é linear. Como exemplo: resistor metálico.
Elementos Resistivos Não Lineares ou Não-Ôhmico
São aqueles para os quais a razão entre a d.d.p. aplicada e a intensidade de
corrente que os atravessam não é constante. A resistência R do elemento não é
constante. Isto implica em que a sua curva V x i característica não é uma reta. Como
exemplo: varistor e lâmpada.
3) Sem ligar o conjunto, apenas utilizando a interpolação e a extrapolação
gráfica, complete a Tabela 3.
25
Tabela 3
Tensão
(em Volt)
Intensidade de corrente “i”
(em ampère)
R = V/i
(em Ohm)
0,5 0,0935 5,3476
2,25 0,248 9,0725
5,8 0,6392 9,0738
6,5 0,7163 9,0744
7,0 0,7714 9,0756
4) Você classificaria a resistência elétrica oferecida por esta lâmpada como
resistência ôhmica ou não-ôhmica? Justifique a sua resposta.
Resistência não-ôhmico, pois a resistência não é constante.
EXPERIMENTO VII - ASSOCIAÇÕES DE RESISTÊNCIAS
ELÉTRICAS (RESISTORES)
Resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de
corrente elétrica pelo mesmo, quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu
cálculo é dado pela Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é
medida em ohms.
Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um
número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse
movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o
metal. Portanto, os elétrons encontram certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe
uma resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os
cientistas definiram uma grandeza que denominaram resistividade elétrica.
Materiais
- painel para associações elétricas Balen;
26
- cabo elétricos de conexão;
- um multiteste regulado para ohmímetro;
- fonte de alimentação.
Os valores medidos neste experimento foram feitos com um multímetro
regulado em 200 k Ω.
A comparação de valores calculados com os medidos em termos de tolerâncias
dos resistores será tratada posteriormente.
Para cálculo de erro do resistor será usada a equação abaixo:
𝐸𝑟𝑟𝑜 =|𝑅 𝑗
𝐹 − 𝑅 𝑗𝑅 |
𝑅 𝑗𝑅 𝑥 100%
Onde:
𝑅 𝑗 𝐹 (fabricante);
𝑅 𝑗𝑅 (multiteste).
1) Calcule a resistência equivalente entre os pontos 1 e 2 da associação.
Utilizando um cabo de conexão, meça a resistência equivalente entre os
pontos 1 e 2 da associação.
Valores medidos no multímetro: R1 ≅ 100,5 Ω
R2 ≅ 47,1 Ω
Valores pelo esquema de cores: R1 = 10x101Ω± 5%
R2 = 4,7x104Ω±10%
Erro de R1
𝐸𝑟𝑟𝑜 =|100 − 100,5|
100,5 𝑥 100%
27
𝐸𝑟𝑟𝑜 = 0,49%
Erro de R2
𝐸𝑟𝑟𝑜 =|47,2 − 47,1|
47,1 𝑥 100%
𝐸𝑟𝑟𝑜 = 0,21%
2) Calcule a resistência equivalente entre os pontos 1 e 7 da associação.
Valores medidos no multímetro: RT ≅ 47,5 Ω
R1=100 Ω
R2=47,2 Ω
R3=0,26 Ω
RT=0,26+100+47,10 → RT=147,86 Ω
3) Calcule a resistência equivalente entre os pontos 4 e 8 da associação.
Utilizando um cabo de conexão, meça a resistência equivalente entre os
pontos 4 e 8 da associação
Valores medidos no multímetro: R4 = 5,05x10³ e R4(final) = 5x10³
𝐸𝑟𝑟𝑜 = 5𝑥103 − 5,05𝑥102 𝑥100%
5,05𝑥10³
𝐸𝑟𝑟𝑜 = 0,99%
𝑅 =𝑅3𝑥𝑅4
𝑅3 + 𝑅4
28
𝑅 = 256 Ω
5) Conecte os pontos (3 e 4) e (7 e 8) conforme o esquema que se segue e
meça a resistência equivalente entre os pontos 4 e 8.
Utilizando um cabo de conexão, meça a resistência equivalente entre os
pontos da associação.
1
𝑅𝑒𝑞=
1
2,7𝑥10²+
1
5𝑥10³= 0,0237
𝑅𝑒𝑞 = 42,2 Ω
6) Calcule a resistência equivalente entre os pontos 2 e 8 da associação a
seguir.
Utilizando um cabo de conexão, meça a resistência equivalente entre os
pontos 2 e 8 da associação
Valores medidos no multímetro: R2=4,7x104 Ω
R4=5x10¹ Ω
1
𝑅𝑒𝑞=
1
4,7𝑥104+
1
5𝑥10¹= 0,02
𝑅𝑒𝑞 = 50Ω
As diferenças entre as estabelecidas pelos códigos de cores e as medidas
refletem a variação para mais ou menos nas legendas apresentadas em cada resistor.
EXPERIMENTO VIII - A RESISTÊNCIA OFERECIDA POR UM DIODO
E SUA POLARIZAÇÃO
O diodo é um semi-condutor. Quando inversamente polarizado, o diodo
praticamente não conduz. Em geral, para entender um circuito, considera-se o diodo
29
como sendo ideal, ou seja, conduz como um fio se polarizado diretamente e como um
circuito aberto quando reversamente polarizado.
Materiais
- 01 diodo (painel para associações elétricas);
- 01 multiteste regulado para ohmímetro;
- cabos de fio de conexão.
1) Meça a resistência elétrica oferecida pelo diodo conectado entre os
bornes 9 e 10.
Resistência elétrica= 2,57 MΩ.
2) Inverta os terminais do multiteste e meça novamente a resistência
elétrica oferecida pelo diodo.
Ao inverter os terminais, constatou-se que o valor do multímetro não conseguia
medir em nenhuma escala.
3) Segundo suas medições, como você diria que se comporta a resistência
elétrica, oferecida por um diodo, diante do sentido da corrente elétrica
que por ele circula?
O diodo é um semicondutor. Quando se inverte os terminais, a resistência
elétrica tende à zero, devido o circuito estar aberto.
4) Refaça a atividade anterior substituindo o diodo por um resistor
qualquer do painel.
30
Quando se é usado um resistor, a diferença para um resistor diodo é que apenas
o sinal irá inverter, mas o valor permanecerá o mesmo.
5) Compare o comportamento resistivo do resistor com o do diodo.
O diodo depende da polaridade, enquanto o resistor não precisa.
6) Se alguém lhe disser que um diodo oferece uma resistência elétrica baixa
e outro lhe disser que o diodo tem uma resistência alta, com qual das
duas opiniões você concordaria? Justifique sua resposta.
Depende, quando oferece tem uma resistência elétrica alta e quando são
inversamente polarizadas, oferece uma baixa resistência elétrica quando são diretamente
polarizadas.
EXPERIMENTO IX - MEDIÇÕES EM CIRCUITOS ELÉTRICOS E
POTÊNCIA ELÉTRICA
Define-se potência elétrica como a razão entre a energia elétrica transformada e
o intervalo de tempo dessa transformação.
A definição de potência elétrica, como se vê no quadro acima, não é o único
modo que nós temos para a sua determinação. Na eletrodinâmica, lidamos muito com os
valores de tensão elétrica e corrente elétrica, e, portanto, nos seria muito útil termos uma
maneira de determinar a potência elétrica sabendo os valores dessas grandezas.
Materiais
Voltímetro ligado em paralelo;
Amperímetro ligado em série.
- 01 chave multiuso
- Painel para associações elétricas Balen;
31
- cabos de fio de conexão;
- 01 voltímetro;
-01 amperímetro.
1) Classifique o tipo de associação resistiva que existe entre os pontos 4 e 8
do painel.
Associação em paralelo.
2) Classifique a associação existente entre as resistências elétricas
(resistores) R3, R4 e R5.
Associação em série.
3) Classifique a associação resistiva existente em todo o circuito.
Em todo circuito a associação em série, com exceção do voltímetro que
apresenta associação em paralelo.
4) Com a fonte regulada para 5VCC, ligue a chave geral e determine a
tensão aplicada entre os pontos 4 e 8 do circuito.
Voltímetro mediu 0,75V=7,5V.
Amperímetro mediu 152,9A.
5) Determine a intensidade de corrente total que circula no circuito.
Qual a intensidade de corrente que passa pela associação resistiva existente
entre os pontos 4 e 8?
32
No circuito em série, a intensidade da corrente tem o mesmo valor em qualquer
ponto, que é de 15,37 A
6) Determine a potência elétrica no intervalo do circuito formado pelos
resistores R4 e R5.
𝑃 = 𝑈𝑥𝐼
𝑃 = 15,35𝑥0,76
𝑃 = 11,66𝑤
7) Determine a tensão aplicada entre os pontos 3 e 5 do painel
Qual a queda de tensão provocada por R3, entre os pontos 3 e 5 ?
𝑈 = 4,18𝑣
𝑈 − 𝑅3 = 4,18 − 0,79 = 3,39𝑣 (queda de tensão)
8) Qual a potência elétrica desenvolvida entre os pontos 1 e 5 do circuito?
𝑃 = 𝑈𝑥𝐼
𝑃 = 4,27𝑥15,35
𝑃 = 65,54𝑤
9) Determine a tensão aplicada entre os pontos 3 e 8 do circuito.
Qual a potência elétrica total do circuito entre os pontos 3 e 8?
U=0,79V, pois está em paralelo (voltímetro).
𝑃 = 𝑈𝑥𝐼
33
𝑃 = 0,79𝑥15,35
𝑃 = 12,12𝑤
EXPERIMENTO X - A AÇÃO DA FORÇA ELETROMAGNÉTICA NO
BALANÇO CONDUTOR IMERSO NUM CAMPO MAGNÉTICO, QUANDO
POR ELE CIRCULA UMA CORRENTE ELÉTRICA.
No estudo da Física, o eletromagnetismo é o nome da teoria unificada
desenvolvida por James Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o
magnetismo. Esta teoria baseia-se no conceito de campo eletromagnético.
O campo magnético é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é
resultado de corrente elétrica. O campo magnético pode resultar em uma força
eletromagnética quando associada a ímãs.
A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno
conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos,
motores e transformadores de tensão). Semelhantemente, a variação de um campo
elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre campo elétrico
e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo
eletromagnético.
Materiais
01- Conjunto eletromagnético Kurt
01-base principal com sapatas, bornes, trilhos articuláveis com orifícios,
indicador articulável projetável do sentido da corrente elétrica, indicadores articuláveis
projetáveis do sentido do vetor indução eletromagnética, luvas deslizantes
01 - fonte de alimentação regulada para 3VCC
- cabos de fio de conexão;
01 – chave multiuso.
34
1) Ligue a chave de modo que a corrente circule no sentido indicado na
Figura e comente o observado.
Que agente físico atuou sobre o balanço para que ele saísse do repouso?
Ação da força eletromagnética. Observamos que a haste, quando ligada à chave
multiuso, se desloca no sentido do conjunto.
2) Posicione o imã com o pólo norte para baixo e posicione o indicador
para a nova orientação do vetor B
Ligue a chave de modo que a corrente circule no sentido indicado e comente
o observado.
Como se comporta o sentido da força eletromagnética, que atuou no
balanço, em relação ao sentido do vetor campo magnético B?
Quando invertemos os pólos, a haste se desloca para fora do conjunto.
3) Torne a posicionar o ímã como pólo norte para cima e assinalar a nova
orientação de B.
Ligue a chave de modo que a corrente circule no sentido indicado na figura
e grafique na Figura 4 o sentido da força eletromagnética que atuou no balanço.
Comportam-se em sentidos contrários.
4) Inverta o sentido da corrente através da chave inversora (Figura 6) e
comente o observado.
A haste se desloca em sentido ao conjunto, como no item 2.
35
5) Você diria que o sentido da força eletromagnética atuante no condutor
imerso em B, depende do sentido da corrente que por ele circula?
Justifique a sua resposta com base em suas observações.
Sim, pois depende do sentido da corrente que circula no condutor.
6) Segundo suas observações, qual é a natureza da força que provocou o
deslocamento no condutor retilíneo na região submetida à indução
magnética B?
Força eletromagnética.
7) Utilize a regra da mão direita para identificar o sentido de umas das três
grandezas envolvidas quando duas forem conhecidas. Identifique a
orientação de i.
Para baixo.
8) Identifique as características da força eletromagnética que provocou o
deslocamento do condutor retilíneo.
A direção da força eletromagnética F atuante é: horário ao plano formado pelas
direções de B e de i
O sentido da força eletromagnética atuante F pode ser definido pela regra da
mão direita diz: Para baixo.
O módulo da força eletromagnética atuante F é calculado pela expressão:
F= Bil sen θ
Identifique cada termo da expressão acima.
F: força eletromagnética
36
B: vetor indução magnética
I: corrente elétrica
sinѲ: ângulo formado entre a corrente e o campo eletromagnético.
EXPERIMENTO XI - O MOTOR ELÉTRICO DE CORRENTE
CONTÍNUA
Corrente contínua, corrente direta, corrente galvânica ou ainda corrente
constante (CC ou DC do inglês direct current) é o fluxo constante e ordenado de
elétrons sempre numa direção. Esse tipo de corrente é gerado por baterias de
automóveis ou de motos (6, 12 ou 24V), pequenas baterias (geralmente de 9V), pilhas
(1,2V e 1,5V), dínamos, células solares e fontes de alimentação de várias tecnologias,
que retificam a corrente alternada para produzir corrente contínua. Normalmente é
utilizada para alimentar aparelhos eletrônicos (entre 1,2V e 24V) e os circuitos digitais
de equipamento de informática (computadores, modems, hubs, etc.).
Este tipo de circuito possui um polo negativo e outro positivo (é polarizado),
cuja intensidade é mantida. Mais corretamente, a intensidade cresce no início até um
ponto máximo, mantendo-se contínua, ou seja, sem se alterar. Quando desligada,
diminui até zero e extingue-se.
Materiais
01-conjunto eletromagnético Kurt
01-base principal com sapatas, bornes, trilhos articuláveis com orifícios,
indicador articulável projetável do sentido da corrente elétrica, indicadores articuláveis
projetáveis do sentido do vetor indução eletromagnética, luvas deslizantes
- cabos de fio de conexão;
01-chave multiuso
01-Fonte de alimentação
37
02-hastes paralelas
01-moto elementar com ímãs NdFeBo e afastador
1) Verifique o caminho que será percorrido pela corrente elétrica dando
especial atenção às pequenas hastes do motor. Para que serve o esmalte ao
redor do fio da bobina do motor?
Observando o motor, que diferença existe em relação a parte esmaltada das
hastes retas mais grossas da bobina do motor?
Em funcionamento, os efeitos térmicos e elétricos agem também sobre o
material isolante no fio. Por esta razão, eles devem ter uma boa isolação térmica e
elétrica. O esmalte utilizado atualmente no fio garante estas propriedades, sendo a
propriedade mecânica assegurada pela camada externa do esmalte que resiste a forças
de abrasão durante a inserção do mesmo nas ranhuras do estator. A camada de esmalte
interna garante a alta rigidez dielétrica.
2) Girando o motor elementar lentamente com a mão, verifique se existem
situações em que a corrente elétrica poderá ou não circular pelo circuito.
Ao inverter o sentido da corrente, de positivo para negativo, para negativo para
positivo, o motor rotaciona.
3) Ligue a chave e dê um giro inicial na bobina. Descreva o observado.
O motor começou a rodar no sentido anti-horário.
4) Identifique o sentido que a corrente teria que circular na bobina do motor
para justificar a ação da força indicada.
Sentido horário.
5) Grafique a orientação do vetor indução magnética B2, gerado pelo ímã.
38
Olhando a bobina como ímã, determine seus pólos magnéticos N e S.
B1 B2
6) O que aconteceria com a bobina no momento em que seu pólo sul ficasse
voltado para o pólo norte do ímã permanente?
Justifique o fato da bobina girar.
Sentido anti-horário: norte-sul, pois ao ligar a corrente elétrica, esse sentido é de
repulsão.
Sentido horário: sul-norte. Ao ligar à corrente, o sentido é de repulsão.
7) Procure justificar, com base em sua resposta anterior, o motivo pelo qual,
não foi removido totalmente o esmalte isolante do fio, numa das hastes de
contato do motor.
A camada externa do esmalte resiste à força de abrasão durante a inserção do
mesmo no conjunto.
8) Usando a regra da mão direita, identifique as forças eletromagnéticas que
atuam nos extremos da espira, justificando o giro sofrido.
Força magnetomotriz.
i
B
F
B
F
i
39
EXPERIMENTO NO LABORATÓRIO WEG (05/05/2011)
1) Considerando 50 voltas, quantas espiras precisam ter para calcular cada
uma das rotações do secundário?
𝑁1
𝑁2=
𝑉1
𝑉2
(4-3)
50
𝑁2=
220
6,6
𝑁2 =50
33,3
𝑁2 = 1,5
(4-5)
50
𝑁2=
220
6,6
𝑁2 =50
33,3
𝑁2 = 1,5
(4-2)
50
𝑁2=
220
13,3
𝑁2 =50
16,54
𝑁2 = 3,03
(4-6)
50
𝑁2=
220
13,3
𝑁2 = 3,03
(2-6)
50
𝑁2=
220
26,6
𝑁2 =50
8,27
𝑁2 = 6,046
2) Considerando o fator de potência (a=1), calcule a corrente do primário e do
secundário para a relação.
(4-6)
𝑖 =100
13,3
𝑖 = 7,52𝐴
(4-5)
𝑖 =100
6,6
𝑖 = 15,15𝐴
(4-2)
𝑖 =100
13,3
𝑖 = 7,52𝐴
(4-3)
𝑖 =100
6,6
𝑖 = 15,15𝐴
(2-6)
𝑖 =100
26,6
𝑖 = 3,75𝐴
PRIMÁRIO
𝑖 =100
220
𝑖 = 0,45𝐴
40
Conclusão
Ao longo do curso vários experimentos foram realizados o que ajudou na
compreensão do estudo da eletrostática e eletrodinâmica, pois é um ramo que trata de
fenômenos que em sua maioria, necessitam de situações práticas dadas às condições em
que ocorrem em escala atômica, um campo da física que tem diversas aplicações nos
dias atuais e facilitou muito o avanço tecnológico e compreensão dos fenômenos da
natureza.
Com o auxílio do Matlab foi possível criar gráficos que representam
características de resistores ôhmicos e não-ôhmicos. Além disso, foi possível criar
experimentos lúdicos com materiais recicláveis, tornando o estudo ainda mais acessível
e ao mesmo tempo prático
41
Referências consultadas
JUNIOR, Francisco Ramalho.; FERRARO, Nicolau Gilberto.; SOARES, Paulo Antônio
de Toledo. Fundamentos da Física. 9. ed. São Paulo, Editora Moderna, 2007. 2 v.
RESNICK, R. & HALLIDAY, D. Fundamentos da Física. 6.ed. Rio de Janeiro, LTC,
1996. 3v.
Wikipédia
http://pt.wikipedia.org/
(acesso feito entre os dias 25 e 30 de abril de 2011)
Portal de eletrônica
http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/27/37/
(acesso feito entre os dias 27 e 30 de abril de 2011)
Universidade de São Paulo
http://www.cienciamao.usp.br/tudo/pmd.php?cod=_pmd2005_1010
(acesso feito entre os dias 02 e 07 de maio de 2011)
Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp
http://www.fem.unicamp.br/~em057/metvaria.pdf
(acesso feito entre os dias 02 e 08 de maio de 2011)