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Aplicação das equações diferenciais de primeira ordem.Circuitos elétricos

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— 3.3.Circuitos em série —

Um circuito consiste em um numero qualquer de elementos unidos por seus terminais, com pelo menos um caminho fechado através do qual a carga possa fluir.

Dois elementos estão em serie se:

  1. Possuem somente um terminal em comum(isto é, um terminal de um esta conectado somente a um terminal do outro).
  2. O ponto comum entre os dois elementos não esta conectado a outro elemento percorrido por corrente

Neste artigo, examinaremos dois tipos de circuitos em serie:um circuito compreendendo um resistor e um capacitor e outro circuito formado por um resistor e um indutor.Estes circuitos são denominados, respetivamente, circuitos {RC} e {RL}, e apesar de sua simplicidade tem inúmeras aplicações em eletrónica, comunicações e sistemas de controle.

A análise de circuitos {RC} e {RL} aplicando as leis de Kirchhoff produz equações diferenciais.As equações diferenciais resultantes da analise de circuitos {RC} e {RL} são de primeira ordem, consequentemente, os circuitos são conhecido coletivamente como circuitos de primeira ordem.

Consideremos um circuito em serie contendo somente um resistor e um indutor, a segunda lei de Kirchhoff diz que a soma da queda de tensão no indutor ({ L\frac{di}{dt} }) e da queda de tensão no resistor ({ iR }) é igual a voltagem ({ E(t) }) no circuito.Veja a figura 1;

Figura 1:Circuito em série RL

Logo, obtemos a equação diferencial linear para a corrente ({ i(t) }).

\displaystyle L\dfrac{di}{dt}+Ri=E(t) \ \ \ \ \ (1)

em que L e R são constante conhecidas como a indutância e a resistência, respetivamente.A corrente é algumas vezes chamada de resposta do sistema.

A queda de potencial em um capacitor com capacitância { C } é dada por {\frac{q(t)}{C}}, em que q é a carga no apacitor.Então, para o circuito em serie mostrado na figura 2, a segunda lei de Kirchhoff nos dá

\displaystyle Ri+\frac{1}{C}q=E(t) \ \ \ \ \ (2)

Figura 2:Circuito em série RC

Mas a corrente {i} e a carga {q} estão relacionados por { i=\frac{dq}{dt} }, logo, torna-se a equação diferencial linear

\displaystyle R\dfrac{dq}{dt}+\dfrac{1}{C}q=E(t) \ \ \ \ \ (3)

Exemplo 1 Um circuito {RL} tem uma fem de {5} voltes, uma indutância de {1} henry, uma resistência de {80} ohm e não tem corrente inicial.Determinar a corrente no circuito para qualquer instante de tempo {t}.

Solução:A quantidade de corrente {i} no circuito é:

\displaystyle \dfrac{di}{dt}+\dfrac{R}{L}i=\dfrac{E}{L}

sabemos que { E=5V ,\quad L=1H, \quad R=80\Omega },então a equação do circuito será:

\displaystyle \dfrac{di}{dt}+80i=5

resolvendo a equação diferencial linear acima temos:

\displaystyle i=\dfrac{1}{16}+ce^{-80t}

o exemplo diz que o circuito não tem corrente inicial, ou seja, para {t=0 \Rightarrow i=0}, então: { c=-\dfrac{1}{16} }

assim, a corrente em qualquer instante de tempo {t} é:

\displaystyle i=\dfrac{1}{16}-\dfrac{1}{16}e^{-80t}\Rightarrow i=\dfrac{1}{16}(1-e^{-80t})

Exemplo 2 Um circuito {RC} tem uma fem de {200 \cos 2t} volt, uma resistência de {50} ohm e uma capacitância de {10^{-2}}farad. Em t=0 não há carga no condensador.Achar a corrente no circuito no instante {t}.

Solução:A equação para a quantidade de carga electrica {q} é:

\displaystyle \dfrac{dq}{dt}+\dfrac{1}{RC}q=\dfrac{E}{R}

sabemos que {E=(200\cos 2t)V, \quad R=50\Omega, \quad C=10^{-2}F}, então a equação do circuito será:

\displaystyle \dfrac{dq}{dt}+2q=4 \cos2t

resolvendo a equação diferencial linear acima temos:

\displaystyle q= \cos 2t + \sin 2t + ce^{-2t}

Para {t=0, \quad q=0;} então: {c=-1}

Para determinarmos a corrente temos que ter em mente que:

\displaystyle i=\dfrac{dq}{dt}

e uma vez obtida a carga, podemos encontrar a corrente:

\displaystyle i=\dfrac{dq}{dt}=-2 \sin 2t + 2 \cos 2t + 2e^{-2t}

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1 Comentário

  1. Márcio Cahemo diz:

    Artigo muito interessante.

    Gostar

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