Explique o funcionamento do voltímetro.
Passo 1
O enunciado pede para entendermos como um voltímetro funciona. O conteúdo envolvido é o de medição de diferença de potencial usando instrumentos de corrente (galvanômetro) e resistores em série, aplicando a Lei de Ohm. Para resolver, precisamos saber que um voltímetro é, na prática, um galvanômetro de corrente fraca associado a um resistor em série, conectado em paralelo ao elemento onde se quer medir a tensão.
Passo 2
O princípio de funcionamento baseia‐se na Lei de Ohm: a corrente que passa por um resistor é proporcional à tensão aplicada sobre ele,
. No voltímetro, um pequeno galvanômetro sensível registra essa corrente. Assim, colocando uma resistência interna alta, a corrente medida pelo galvanômetro é
onde
é a resistência total do voltímetro e
é a diferença de potencial entre seus terminais.
Passo 3
Para permitir diferentes faixas de medição, o voltímetro é construído unindo um galvanômetro de resistência interna
(que exige uma corrente de fundo de escala
) a um resistor adicional
em série. A resistência total fica
Com isso, quando aplicamos uma tensão
aos terminais do voltímetro, a corrente de fundo de escala satisfaz
Passo 4
Para projetar a faixa máxima
de um voltímetro, escolhe‐se
Dessa forma, quando a tensão atinge
, a corrente chega exatamente a
e o ponteiro (ou mostrador) indica o fim da escala.
Passo 5
Na prática, o voltímetro deve ser sempre conectado em paralelo ao componente ou trecho do circuito onde se deseja medir a tensão, para que a mesma diferença de potencial seja aplicada aos seus terminais. Como
é grande (idealmente infinito), a corrente que ele drena do circuito é desprezível, minimizando o erro de carga. Se
for finita, haverá um ligeiro desvio na tensão real, caracterizando o “efeito de carga” do instrumento.
Resposta
O voltímetro consiste em um galvanômetro (sensível a uma corrente de fundo de escala
) em série com um resistor
, formando uma resistência interna
. Pela Lei de Ohm, a corrente
faz o instrumento indicar diretamente a tensão
. Para medir diferentes faixas, escolhe-se
O voltímetro é ligado em paralelo ao ponto de medição e, por ter alta resistência interna, perturba muito pouco o circuito.