Laboratório virtual de curvas I–V: resistor, lâmpada e diodo

Este laboratório virtual de curvas I–V corresponde à prática obrigatória do AQA GCSE Physics sobre os gráficos de corrente–diferença de potencial de um resistor, de uma lâmpada incandescente e de um diodo. Os alunos ajustam uma fonte de corrente contínua variável, leem um voltímetro em paralelo com o componente e um amperímetro em série com ele, e registram leituras nos dois sentidos. Uma aula dá três formas a partir das leituras dos próprios alunos: uma reta, uma curva que se achata e um diodo que só conduz num sentido, a partir de cerca de 0,6 V.

Alinhamento com o currículo

• AQA GCSE Physics (8463) 4.2.1.4 (resistores) e a prática obrigatória 4: medir como a corrente varia com a diferença de potencial numa lâmpada incandescente, num diodo e num resistor mantido a temperatura constante. No Combined Science: Trilogy o mesmo conteúdo é o 6.2.1.4.

O Simulic não é afiliado à AQA nem endossado por ela.

Antes do laboratório (5 min)

Peça aos alunos que se comprometam com uma previsão, no papel ou como pergunta 1 do link da turma:

"Você aumenta a diferença de potencial numa lâmpada incandescente de 0 a 6 V e faz o gráfico de I em função de V. Que forma o gráfico vai ter?"

Espere que muitos alunos desenhem uma reta, porque "é a lei de Ohm".

Método na simulação

Em cada leitura: feche a chave S, espere os medidores estabilizarem, clique em Registrar leitura e depois clique em Abrir chave S antes de mudar a fonte. Fonte E é o ajuste da fonte de alimentação; o voltímetro mostra a diferença de potencial V no componente, que é um pouco menor.

1. Resistor. Escolha Resistor fixo e ajuste Resistência R em 47 Ω. Registre leituras com Fonte E = 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0 e 6,0 V (controle deslizante ou botões − / +).
2. Clique em Inverter fonte e repita para obter leituras negativas.
3. Lâmpada incandescente. Escolha Lâmpada incandescente (6 V – 0,3 A) e repita os passos 1 e 2. Não passe dos 6 V nominais.
4. Diodo. Escolha Diodo de silício com um Resistor de proteção de 330 Ω. Registre leituras com E = 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0 e 6,0 V e marque Ampliar perto da origem. Depois inverta a fonte em 3,0 V.
5. Toque em qualquer ponto para ver R = V/I. Marque Mostrar curva de referência para comparar os seus pontos com o modelo.

Fonte E (V)	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
V na lâmpada (V)
I (mA)
R = V/I (Ω)

Resultados esperados

Todas as leituras vêm da simulação. Cada medidor tem um pequeno erro aleatório, então o último dígito pode variar 1.

Lâmpada incandescente:

Fonte E (V)	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
V (V)	0,92	1,89	2,87	3,86	4,84	5,82
I (mA)	138,0	177,2	211	242	270	296
R (Ω)	6,6	10,7	13,6	15,9	17,9	19,7

A curva fica mais achatada e R triplica entre 1 V e 6 V. As leituras invertidas espelham estas em relação à origem.

• Resistor (47 Ω): com E = 6,0 V, os medidores marcam 5,92 V e 125,7 mA, então R = 47,1 Ω. Todos os pontos ficam numa reta que passa pela origem. Se a chave S ficar fechada por um minuto em 6 V, o resistor esquenta até cerca de 56 °C e R deriva para cerca de 48,7 Ω.
• Diodo de silício (330 Ω): 0,44 V e 0,19 mA com E = 0,5 V; 0,53 V e 1,41 mA com 1,0 V; 0,61 V e 7,2 mA com 3,0 V; 0,65 V e 16,2 mA com 6,0 V. A corrente sobe bruscamente enquanto V quase não muda. Invertido em 3,0 V: −3,00 V e 0,00 mA.
• LED vermelho (330 Ω): 1,80 V e 3,6 mA com E = 3,0 V. Ele começa a conduzir perto de 1,7 V, e não perto de 0,5 V.

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) Que forma tem o gráfico I–V de uma lâmpada incandescente de 0 a 6 V?
2. Para o resistor fixo dar uma reta que passa pela origem, qual variável precisa ficar constante?
3. Com o diodo de silício, um resistor de proteção de 330 Ω e E = 3,0 V, quanto marca o voltímetro?
4. Para a lâmpada, calcule R = V/I com E = 1,0 V e com E = 6,0 V. Quantas vezes R é maior em 6,0 V?
5. Explique por que a resistência de uma lâmpada incandescente aumenta quando a diferença de potencial nela aumenta.

Respostas para o professor: (1) Uma curva que passa pela origem e fica menos inclinada. (2) A temperatura do resistor. (3) 0,61 V (aceite 0,59–0,63). (4) Cerca de 6,6 Ω e 19,7 Ω, ou seja, cerca de 3,0 vezes (aceite 2,8–3,1). (5) Uma corrente maior esquenta mais o filamento. Os íons do metal vibram mais, os elétrons colidem com eles com mais frequência e a resistência aumenta.

Erros conceituais comuns

• "Todo componente obedece à lei de Ohm." Só o resistor a temperatura constante. A R da lâmpada vai de 6,6 Ω a 19,7 Ω num mesmo experimento.
• "Inverter a fonte só deixa a corrente negativa." Verdade para o resistor e a lâmpada. O diodo marca 0,00 mA em −3,00 V: a R = V/I dele é cerca de 84 Ω no sentido direto com E = 3,0 V e quase infinita no reverso.

Extensão

• Por que um resistor de proteção? Ajuste o resistor de proteção em Nenhum e aumente E em passos de 0,1 V. A corrente é 5,5 mA com E = 0,6 V e 311 mA com 1,0 V, e o diodo queima quando passa de 1 A (perto de E = 1,6 V). Com 330 Ω em 6 V, os alunos podem calcular a corrente segura: (6 − 0,65) ÷ 330 ≈ 16 mA.
• Resistor quente. Ajuste R = 10 Ω e E = 12 V e deixe a chave fechada. O rótulo da temperatura sobe e a corrente cai até o resistor queimar. Relacione com P = VI.

Perguntas frequentes

Por que o voltímetro marca menos que o ajuste da fonte?

A fonte e o amperímetro têm 0,6 Ω de resistência interna, e com o diodo a maior parte de E fica no resistor de proteção. Faça o gráfico com a leitura do voltímetro, não com E.

Por que as leituras do diodo ficam tão próximas umas das outras?

Quando um diodo de silício conduz, uma pequena mudança em V dá uma grande mudança em I. Acrescente leituras entre E = 0,5 e 2,0 V e amplie para ver a curva.

Isso substitui a prática real?

Não para a AQA: as práticas obrigatórias ainda precisam ser feitas à mão. Use a simulação para planejar, ensaiar ou analisar os resultados. Veja laboratórios virtuais vs. laboratórios reais.

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