Instrumentos eléctricos e de medição

Cabos e conectores

Em LIFE vamos lidar com dois tipos de conectores eléctricos:

Conector banana

Conector eléctrico cilíndrico, de forma alongada, com uma ponta de metal (4 mm de diâmetro) levemente elástica, de modo a garantir uma conexão firme quando inserida numa ficha compatível. Tem uma capa de plástico ou borracha em redor da base para evitar contacto com a parte condutora. É utilizado para fazer ligações simples, rápidas e seguras em circuitos eléctricos, especialmente em laboratórios e equipamentos de medição simples como multímetros.

Conector BNC

Conector de cabo coaxial com mecanismo de acoplamento tipo baioneta (daí o nome BNC), que permite uma ligação rápida e segura. Possui um pino central condutor para o sinal e uma capa externa condutora para o terra, garantindo uma transmissão estável e sem interferências. Para conectar ou desconectar, basta girar o conector em cerca de um quarto de volta. É utilizado para transmitir sinais de alta frequência e é amplamente utilizado em aplicações de electrónica, telecomunicações, e ligações a osciloscópios e geradores de sinais.

Os cabos presentes no laboratório apresentam assim três combinações possíveis:

• Banana-banana
• Banana-BNC
• BNC-BNC

Tipos de cabos usados em LIFE

Cabos com conectores de tipo banana.	Conectores de tipo BNC (macho).	Cabo com conectores de banana e BNC (macho).

Multímetro

Multímetro digital.

Um multímetro é um instrumento electrónico de medição utilizado para medir diversas grandezas eléctricas, como tensão, corrente, resistência, capacidade e frequência de um sinal. É uma ferramenta essencial num laboratório onde se utilizem medições eléctricas.

Principais tipo de medições

• Tensão (volts): Permite medir tensões contínuas (DC) e alternadas (AC).
• Corrente (amperes): Permite medir a corrente eléctrica tanto em circuitos de corrente contínua (DC) quanto alternada (AC).
• Resistência (ohm): Permite medir a resistência eléctrica de componentes, tais como resistências, geradores e instrumentos de medição.
• Outras: Dependendo do modelo, alguns multímetros modernos oferecem medições de capacitância, indutância, continuidade, temperatura, frequência e testes de diodos, o que faz deles ferramentas versáteis para uma ampla gama de diagnósticos e reparações.

Tipos de multímetros

• Multímetro analógico: A leitura é dada por uma escala analógica e uma agulha, cujo desvio é proporcional ao sinal lido.
• Multímetro digital: A leitura é dada por valores em formato numérico num ecrã LCD, oferecendo maior precisão e facilidade de leitura. É o tipo mais amplamente utilizado actualmente.

Tipicamente os multímetros portáteis dispõem de várias entradas na base, dependendo do tipo de medição a fazer, e possuem uma botão central rotativo que permite seleccionar o tipo de medição e a escala a utilizar. Ao fazer uma medição, um bom princípio é usar a menor (mais sensível) escala que permite medir o sinal pretendido sem que este ultrapasse o limite máximo. Deste modo, garante-se que se minimiza a incerteza da leitura directa.

Osciloscópio

Osciloscópio digital.

Osciloscópio analógico.

Um osciloscópio é um instrumento de medição electrónico utilizado para observar e analisar sinais eléctricos variáveis no tempo, permitindo visualizar a forma de onda do sinal em tempo real. É amplamente utilizado em electrónica, telecomunicações, engenharia e muitas outras áreas, para medir parâmetros como a amplitude, a frequência e a forma do sinal.

Principais características e funções

• Visualização de sinais: O osciloscópio exibe os sinais eléctricos na forma de gráficos num ecrã, geralmente com a tensão no eixo vertical (Y) e o tempo no eixo horizontal (X). Cada um dos eixos dispõe de um menu próprio no qual se pode ajustar a escala e a origem.
• Medição de grandezas: O osciloscópio permite medir várias grandezas associadas ao sinal, como a amplitude (tensão máxima), período, frequência e fase. Muitos osciloscópios modernos também têm funções automáticas para realizar estas medições, mostrando ao utilizador o resultado em forma numérica.
• Comparação de sinais: Os osciloscópios normalmente dispõem de 2 ou 4 canais de entrada (designados CH1, CH2, etc). Graças a esta capacidade, é possível visualizar vários sinais simultaneamente, o que permite comparar as suas características intrínsecas e relativas (e.g. desfasamento).
• Modo XY: Esta é uma função especial em que o ecrã do osciloscópio exibe a relação entre dois sinais de entrada, em vez de mostrar a sua variação ao longo do tempo). No modo XY, um sinal é aplicado ao eixo horizontal (X) e o outro ao eixo vertical (Y). Isso permite visualizar a relação direta entre os dois sinais. No caso de ambos serem sinusoidais e as suas frequências estarem relacionadas por uma fracção racional, observam-se figuras de Lissajous.

Tipos de osciloscópios

• Osciloscópio analógico: Baseado em electrónica analógica, é caracterizado por um écran monocromático do tipo tubo de raios catódicos. É muito pouco usado actualmente.
• Osciloscópio digital: Os sinais analógicos das entradas são convertidos em formato digital e processados como num computador. É caracterizado por um écran do tipo LCD ou LED, normalmente com várias cores. Graças à suas capacidades de processamento, são mais versáteis e potentes que os analógicos, permitindo capturar, armazenar e analisar os sinais de forma mais detalhada.

Tal como no multímetro, ao fazer uma medição com um osciloscópio é aconselhável usar em ambos os eixos a menor (mais sensível) escala que permite medir o sinal pretendido sem que este ultrapasse o limite máximo. Deste modo, garante-se que se minimiza a incerteza da leitura directa.

Gerador de funções

Gerador de funções.

Um gerador de funções é um dispositivo electrónico utilizado para gerar sinais eléctricos com formas de onda específicas e controladas, como ondas sinusoidais, quadradas, triangulares ou de impulso. Estas ondas podem variar em termos de frequência, amplitude e forma, e são amplamente utilizadas para testar, analisar e calibrar circuitos electrónicos e sistemas de comunicação.

Características principais

• Formas de onda: O gerador de funções pode produzir diferentes tipos de sinais periódicos, como ondas sinusoidais, quadradas, triangulares, dente de serra e impulsos
• Frequência ajustável: A frequência da onda gerada pode ser ajustada, normalmente dentro de uma ampla gama (desde hertz até gigahertz), dependendo do tipo de gerador.
• Amplitude ajustável: A tensão de saída (amplitude) também pode ser regulada, permitindo que o utilizador teste os circuitos sob diferentes níveis de tensão.
• Modulação: Alguns geradores de funções podem adicionar modulação aos sinais gerados (por exemplo, AM ou FM), o que é útil para testar sistemas de comunicação e de rádio.

Aplicações

• Testes de circuitos: Usado para verificar o comportamento de circuitos electrónicos sob sinais de diferentes frequências e formas de onda.
• Calibração de equipamentos: Garante que dispositivos de medição ou equipamentos electrónicos estão a funcionar corretamente e dentro das especificações.
• Análise da resposta de sistemas: Permite observar como um sistema ou circuito reage a diferentes sinais de entrada, testando a sua estabilidade, ganho e resposta em frequência.

Fonte de tensão

Fonte de tensão.

Fonte de tensão e corrente.

Uma fonte de tensão é um dispositivo que fornece uma diferença de potencial eléctrico (tensão) entre dois terminais, mantendo essa diferença de tensão constante, independentemente da corrente que passa através do circuito. As fontes de tensão são fundamentais em circuitos eléctricos e electrónicos, uma vez que fornecem aos componentes a energia necessária para funcionar. Por uma questão de segurança e protecção do equipamento, o botão de ajuste da tensão deve ser colocado a zero sempre que se liga ou desliga este equipamento.

Tipos de fontes de tensão

• Fontes de Tensão Contínua (DC): Fornecem uma tensão constante ao longo do tempo. Exemplos: baterias, pilhas e fontes de alimentação DC.
• Fontes de Tensão Alternada (AC): A tensão fornecida varia de forma cíclica ao longo do tempo, mudando de polaridade periodicamente. A forma de onda mais comum de uma fonte de tensão AC é sinusoidal. Exemplos: Tomadas eléctricas domésticas (230V AC / 50 Hz em Portugal).

Características principais

• Tensão nominal: O valor de tensão que a fonte fornece, como 5 V, 12 V, 230 V, etc. Em LIFE iremos encontrar fontes DC de baixa tensão (6 V, 12 V) e de alta tensão (vários kV).
• Impedância interna: Idealmente, uma fonte de tensão tem impedância interna zero, o que significa que a tensão fornecida depende da carga conectada. Na prática, todas as fontes de tensão têm alguma impedância interna, o que pode fazer com que a tensão diminua quando a corrente aumenta.
• Capacidade de corrente: A quantidade máxima de corrente que a fonte pode fornecer sem que a tensão se altere significativamente. As fontes de tensão reais têm limites na corrente que podem fornecer.

Fonte de corrente

Uma fonte de corrente é um dispositivo que fornece uma corrente eléctrica constante a um circuito, independentemente da tensão aos seus terminais ou da resistência da carga conectada. Ao contrário de uma fonte de tensão, que mantém uma tensão fixa, uma fonte de corrente ajusta a sua tensão de saída para garantir que a corrente fornecida permaneça estável, independentemente das variações na carga. Por uma questão de segurança e protecção do equipamento, o botão de ajuste da corrente deve ser colocado a zero sempre que se liga ou desliga este equipamento.

Características principais

• Corrente constante: A principal característica de uma fonte de corrente é manter a corrente estável, independentemente das flutuações na carga (resistência) ou da tensão necessária para manter essa corrente.
• Impedância interna elevada: Idealmente, uma fonte de corrente tem uma impedância interna muito alta, de modo que a corrente fornecida ao circuito não varia com as mudanças na resistência da carga.
• Variação de tensão: A fonte de corrente ajusta a sua tensão de saída conforme necessário para garantir que a corrente permaneça constante. Se a resistência da carga aumentar, a tensão de saída aumenta para manter a corrente.

Craveira

Craveira.

Como usar uma craveira.

Uma craveira (também designada por paquímetro) é um instrumento de medição de alta precisão utilizado para medir dimensões lineares, como comprimentos, diâmetros internos e externos, e profundidades de objetos. A craveira é amplamente usada em diversas áreas para medir peças com exatidão e permite medições com uma precisão geralmente entre 0,1 mm e 0,01 mm, dependendo do modelo e do tipo de nónio utilizado.

Componentes principais

• Mandíbulas fixas e móveis: As mandíbulas maiores são usadas para medir o diâmetro externo ou a largura de um objeto, enquanto as mandíbulas menores servem para medir diâmetros internos, como o de um orifício.
• Escala principal: Uma escala fixa gravada no corpo do instrumento, geralmente marcada em milímetros ou polegadas.
• Nónio: Uma pequena escala deslizante que permite fazer leituras fracionadas da escala principal com uma precisão maior. O nónio ajuda a medir com precisão de décimos ou centésimos de milímetro.
• Varão de profundidade: Uma haste na extremidade da craveira que é usada para medir a profundidade de orifícios ou reentrâncias.

O nónio é uma pequena escala auxiliar usada em instrumentos de medição, como a craveira, que permite fazer medições com maior precisão do que a escala principal. A escala do nónio tem uma divisão menor que a da escala principal, o que permite medir partes de uma unidade (por exemplo, décimos ou centésimos de milímetro). Para fazer uma leitura precisa, o utilizador compara a linha da escala principal que se alinha com uma linha da escala do nónio, permitindo assim medir com maior exatidão.

Goniómetro

Goniómetro.

Um goniómetro é um instrumento utilizado para medir ângulos entre dois objetos ou superfícies. Em física é utilizado em aplicações como óptica, espectrometria, cristalografia e medição de ângulos de reflexão, refracção e difracção, onde a medição precisa é necessária.

Características principais

• Escala graduada: O goniómetro possui uma escala circular graduada, normalmente em graus (0° a 360°), que permite medir a abertura angular entre duas direções ou superfícies. Um goniómetro de precisão terá ainda uma escala secundária do tipo nónio, que permite medir ângulos muito pequenos, inferiores a um minuto de arco.
• Braços móveis: O instrumento geralmente tem dois braços ou réguas que podem ser movidos para formar o ângulo a ser medido.
• Colimador e luneta: para aplicações em óptica, o goniómetro normalmente dispõe de um telescópio colimador para formar um feixe de luz paralelo e de uma luneta para observação.

Lâmpadas espectrais

Lâmpada espectral.

As lâmpadas espectrais são dispositivos utilizados na análise de espectros de emissão de elementos químicos. Funcionam através de uma descarga elétrica num gás ou vapor específico (como mercúrio, sódio, ou néon), que excita os átomos do elemento e os faz emitir luz em comprimentos de onda bem definidos. Estas lâmpadas produzem linhas espectrais características que podem ser observadas com espectroscópios, permitindo estudar a estrutura atómica, identificar elementos e calibrar instrumentos ópticos. Além de serem ferramentas fundamentais em investigação, as lâmpadas espectrais também são amplamente utilizadas para demonstrações de princípios fundamentais como emissões atómicas e a interação da luz com a matéria. Na bibliografia encontra-se um documento com a posição das principais riscas espectrais das lâmpadas utilizadas em LIFE.

Características principais

• Elemento químico: A escolha do gás ou vapor determina as linhas espectrais emitidas.
• Intensidade e brilho: A intensidade luminosa deve ser suficiente para observar as linhas espectrais claramente, sem saturar o detector ou ofuscar a visão.
• Alta tensão: A maioria das lâmpadas espectrais requer uma fonte estável de alta tensão para gerar a descarga elétrica.
• Segurança: Algumas lâmpadas, como as de mercúrio, emitem radiação ultravioleta, exigindo cuidados adicionais com a visão.