Ligação do amperímetro e do voltímetro

Currículos: KS3, cycle 4, Sek I

Objetivo¶

Aprender a ligar um amperímetro em série e um voltímetro em paralelo com um trecho do circuito.

Teoria¶

O amperímetro mede a corrente que passa por ele mesmo, então toda a corrente do circuito precisa atravessar o medidor: abra o circuito e coloque o amperímetro na interrupção, em série. Em um circuito em série a corrente é a mesma em todos os pontos, e o amperímetro indica o mesmo valor antes e depois do resistor. Um amperímetro ideal não tem resistência. Um amperímetro real acrescenta um pouco ao circuito, e quanto menos acrescenta, menos altera a corrente que mede.

O voltímetro mede a tensão entre os dois pontos que os seus bornes tocam. Ligue-os às extremidades do trecho, em paralelo com ele, e o circuito continua fechado. Um voltímetro ideal não consome corrente. Um voltímetro real desvia um pouco de corrente, contornando o trecho, e quanto maior a sua resistência, menos ele altera a tensão que mede.

O borne “+” do medidor fica do lado do “+” da fonte. Com os cabos trocados, um medidor digital mostra um sinal de menos, e o ponteiro de um medidor analógico se desloca para o lado errado, abaixo de zero.

Trocar os dois medidores de lugar leva a dois erros típicos:

um amperímetro ligado em paralelo com um trecho o põe em curto: só a resistência interna da fonte e o próprio amperímetro limitam a corrente, e um medidor real queima o fusível;
um voltímetro em série quase interrompe a corrente: não causa dano, mas indica quase toda a tensão da fonte em vez da tensão no trecho.

Um medidor com mais de um terminal tem uma faixa de medição própria em cada um. Ligue primeiro o cabo à maior faixa e passe para uma menor só quando a leitura couber nela: o medidor fica protegido, e o ponteiro aproveita uma parte maior da escala. Os medidores da nossa montagem têm dois bornes cada um e nenhuma faixa para escolher.

A montagem¶

Uma fonte de 6 V, um amperímetro, um resistor de 100 Ω; um voltímetro está ligado em paralelo com o resistor. Os medidores estão no modo DC.

Procedimento¶

Anote as leituras do amperímetro e do voltímetro.
Conecte um segundo amperímetro com cabos em paralelo com o resistor.
Retire o amperímetro extra e ligue a fonte com a tecla de energia.
Coloque o voltímetro em série no circuito: retire o cabo entre o amperímetro e o resistor e mude os cabos do voltímetro de lugar — o cabo do “+” para a saída do amperímetro, o cabo do “−” para o borne esquerdo do resistor. Anote as leituras dos dois medidores.

Resultado esperado

O amperímetro indica cerca de 59,6 mA, o voltímetro cerca de 5,96 V. O segundo amperímetro coloca os seus 0,1 Ω em paralelo com o resistor de 100 Ω, e quase toda a corrente passa pelo medidor. No circuito restam só cerca de 0,8 Ω: a resistência interna da fonte, os dois amperímetros e os cabos. Com 6 V sobre 0,8 Ω, a lei de Ohm dá mais de 7 A, muito mais do que a fonte permite: a proteção contra sobrecarga a desliga, e o indicador de energia pisca em vermelho. Depois de retirar o amperímetro extra e ligar a fonte, as leituras voltam a ser as de antes.

O voltímetro ligado em série indica cerca de 6,00 V, e o amperímetro praticamente zero (menos de um microampère). Em série, o voltímetro e o resto do circuito dividem a tensão da fonte na proporção das suas resistências: \(U_V = U \cdot R_V / (R_V + R)\). Com 10 MΩ contra cerca de 100 Ω, o voltímetro fica com os 6 V inteiros menos um cem-milésimo, a corrente é só de cerca de 0,6 µA, e a tensão no resistor é de cerca de 60 µV.

Questões¶

Quanto o amperímetro reduz a corrente no circuito, e que fração da corrente do resistor o voltímetro desvia?
Por que um voltímetro ligado em série indica quase a tensão da fonte, enquanto a corrente no circuito desaparece?

Respostas

Sem o amperímetro, o circuito tem o resistor de 100 Ω, os 0,5 Ω da fonte e os cabos, e \(I = U / R\) dá cerca de 59,7 mA. O amperímetro acrescenta os seus 0,1 Ω e reduz a corrente para os 59,6 mA do seu visor, em cerca de 0,1%. O voltímetro, em paralelo com o resistor, desvia cerca de 5,96 V / 10 MΩ ≈ 0,6 µA, um cem-milésimo dos 59,6 mA que passam pelo resistor.
Em série, os 10 MΩ do voltímetro se somam aos cerca de 100 Ω do resto do circuito, então a corrente é só \(I = U / R\) ≈ 6 V / 10 MΩ = 0,6 µA. Com essa corrente, a tensão no resistor é só de cerca de 60 µV, no amperímetro e na fonte menos ainda, e quase todos os 6 V ficam no voltímetro: as tensões se dividem na proporção das resistências.