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Leis de Kirchhoff – Exercícios Resolvidos - Duas Malhas, Duas Fontes, Cargas - Duas pilhas cujas f.e.m. e resistências internas são respectivamente E 1 = 20 V, E 2 = 10 V e r 1 = 0,5 , r 2 = 0,2 são ligadas por fios de resistência desprezível a um resistor R = 1 , segundo o esquema indicado na figura. Determinar as intensidades das correntes nos diferentes trechos do circuito. Dados do problema: Resistências das pilhas f.e.m. das pilhas r 1 = 0,5 ; r 2 = 0,2 E 1 = 20 V; E 2 = 10 V. Resistência externa: R = 1 . Solução Em primeiro lugar a cada ramo do circuito atribuímos, aleatoriamente, um sentido de corrente. No ramo EFAB temos a corrente i 1 no sentido horário, no ramo BE a corrente i 3 indo de B para E e no ramo EDCB a corrente i 2 no sentido anti-horário. Em segundo lugar para cada malha do circuito atribuímos um sentido, também aleatório, para se percorrer a malha. Malha (ABEFA) sentido horário e malha (BCDEB) também sentido horário. Vemos todos estes elementos na figura 1 figura 1 • Aplicando a Lei dos Nós As correntes i 1 e i 2 chegam no nó B e a corrente i 3 sai dele i3 = i1 + i2 (I) • Aplicando a Lei das Malhas Para a malha a partir do ponto A no sentindo escolhido, esquecendo a malha (figura 2), temos R i 3 + r 1 i 1−E 1 = 0 (II) figura 2 substituindo os valores do problema, temos 1 i3 + 0,5 i1−20 = 0 i3 + 0,5 i1 = 20 (III) Para a malha a partir do ponto B no sentindo escolhido, esquecendo a malha (figura 3), temos figura 3 E2−r 2 i 2−r 3 i 3 = 0 (IV) substituindo os valores 10−0,2 i 2−1 i 3 = 0 0,2 i2 + i3 = 10 (V) As equações (I), (III) e (V) formam um sistema de três equações a três incógnitas (i 1, i 2 e i 3) i3 = i 1 + i 2 i 3 +0,5 i 1 = 20 0,2 i2 + i3 = 10 isolando o valor de i 1 na segunda equação, temos 20−i 3 1 0,5 (VI) isolando o valor de i 2 na terceira equação, temos 10−i 3 2 0,2 (VII) ∣ I1 = I2 = substituindo as expressões (VI) e (VII) na primeira equação obtemos 20−i 3 + 10−i3 3 0,5 0,2 Escrevendo na expressão acima 0,5 = 10 e 0,2 = 10 fica i 3 = 20−i 3 + 10−i 3 10 10 i3 = 10 (20−i 3) + 10 (10−i 3) i3 = 2 (20−i 3) + 5 (10−i 3) i3 = 40−2 i 3+ 50−5 i 3 i 3 = 90−7 i 3 i3+7 i 3 = 90 8 i 3 = 90 i3 = 90 i3 = 11,25 A substituindo o valor encontrado acima nas expressões (VI) e (VII) encontramos os valores de i 1 e i 2 respectivamente 20−11,25 1 0,5 8,75 1 0,5 i1 = 17,5 A 10−11,25 i2= ------------------------ 0,5 1,25 2 0,5 i 2 =−6,25 A Como o valor da corrente i2 é negativo, isto indica que seu verdadeiro sentido é contrário ao escolhido na figura 1. Os valores das correntes são i1=17,5 A, i2=6,25 A e i3=11,25 A e seus sentidos estão mostrados na figura 4. figura 4 - Duas Malhas, Várias Fontes, Cargas - No circuito abaixo determinar as correntes nos ramos, seus verdadeiros sentidos e quais elementos são geradores e receptores. i = 5 2 5 2 5 2 8 i = i =− i = Dados do problema Resistores: R 1 = 0,5 ; R 2 = 0,5 ; R 3 = 1 ; R 4 = 0,5 ; R 5 = 0,5 ; R 6 = 3 ; R 7 = 1 . Geradores e Receptores: E 1 = 20 V; E 2 = 20 V; E 3 = 6 V. Solução Em primeiro lugar a cada ramo do circuito atribuímos, aleatoriamente, um sentido de corrente. No ramo EFAB temos a corrente i 1 no sentido horário, no ramo BE a corrente i 2 de B para E e no ramo EDCB a corrente i 3 no sentido anti-horário. Em segundo lugar para cada malha do circuito atribuímos um sentido, também aleatório, para se percorrer a malha. Malha (ABEFA) sentido horário e malha (BCDEB) também sentido horário. Vemos todos estes elementos na figura 1. figura 1 • Aplicando a Lei dos Nós As correntes i 1 e i 3 chegam no nó B e a corrente i 2 sai dele i 2 = i 1 + i 3 (I) • Aplicando a Lei das Malhas Para a malha a partir do ponto A no sentindo escolhido, esquecendo a malha (figura 2), temos figura 2 R 2 i 1 + R 4 i 2 + E 2 + R 5 i 2 + R 3 i 1 + R 1 i 1−E 1 = 0 substituindo os valores do problema, temos 0,5 i 1 + 0,5 i 2 + 20 + 0,5 i 2 + 1 i 1 + 0,5 i 1−20 = 0 2 i 1 + i 2 = 0 (II) Para a malha a partir do ponto B no sentindo escolhido, esquecendo a malha (figura 3), temos figura 3 −R 6 i 3 + E 3−R 7 i 3−R 5 i 2−E 2−R 4 i 2 = 0 substituindo os valores −3 i 3 + 6−1 i 3−0,5 i 2−20−0,5 i 2 = 0 −i 2−4i 3−14 = 0 −i 2−4 i 3 = 14 (III) As equações (I), (II) e (III) formam um sistema de três equações a três incógnitas ( i 1, i 2 e i 3) i 2 = i 1 + i 3 2 i 1 + i 2 = 0 −i 2−4 i 3 = 14 ∣ isolando o valor de i 1 na segunda equação, temos i 1 =− 2 (IV) isolando o valor de i 2 na terceira equação, temos i 3 = −14−i 2 (V) substituindo as expressões (IV) e (V) na primeira equação, obtemos i 2 =− 2 + (−14−i 2 ) −i 2− i 2 + ( −14−i 2 ) = 0 o Mínimo Múltiplo Comum (M.M.C.) entre 1, 2 e 4 é 4, então −4 i 2−2 i 2−14− i 2 = 0 −4 i 2−2 i 2−14−i 2 = 0. 4 −7 i 2−14 = 0 −7 i 2 = 14 i 2 = −7 i 2 =−2 A (VI) substituindo o valor (VI) encontrado acima nas expressões (IV) e (V) encontramos os valores de i 1 e i 3 respectivamente i 1 =− −2 ) i 1 = 1 A i 3 = −14−( −2 ) i 3 = −14 + 2 i 3 = −12 i 3 =−3 A Como o valor das correntes i 2 e i 3 são negativas, isto indica que seus verdadeiros sentidos são contrários àqueles escolhidos na figura 1. Os valores das correntes são i1=1 A, i2=2 A e i3=3 A e seus sentidos estão mostrados na figura 4. figura 4 Os elementos E 1 e E 2 são geradores, pois as correntes têm sentido de (-) para (+) e o elemento E 3 é um receptor, o sentido da corrente é de (+) para (-). 2 4 4 4 i 2 4 i 2 4 2 4 4 14 - Três Malhas, Várias Fontes, Cargas - No circuito abaixo determinar as correntes nos ramos, seus verdadeiros sentidos. Dados do problema Resistores R 1 = 1 ; R 2 = 2 R 3 = 1 ; R 4 = 2 R 5 = 1 ; R 6 = 2 Ω f.e.m. das pilhas E 1 = 10 V; E 2 = 20 V. E 3 = 10 V; E 4 = 20 V. Solução Em primeiro lugar a cada ramo do circuito atribuímos, aleatoriamente, um sentido de corrente. No ramo GHAB temos a corrente i 1 no sentido horário, no ramo BC a corrente i 2 indo de B para C, no ramo CDEF a corrente i 3 no sentido horário, no ramo CF a corrente i 4 indo de C para F, no ramo FG a corrente i 5 indo de F para G e no ramo BG a corrente i 6 indo de B para G. Em segundo lugar para cada malha do circuito atribuímos um sentido, também aleatório, para se percorrer a malha. Malha (GHABG), malha (BCFGB) e malha (CDEFC) todas percorridas no sentido horário (figura 1) figura 1 • Aplicando a Lei dos Nós A corrente i 1 chega ao nó B e as correntes i 2 e i 6 saem dele i 1 = i 2 + i 6 (I) A corrente i 2 chega ao nó C e as correntes i 3 e i 4 saem dele i 2 = i 3 + i 4 (II) As correntes i 3 e i 4 chegam ao nó F e a corrente i 5 sai dele i 5 = i 3 + i 4 (III) • Aplicando a Lei das Malhas Para a malha a partir do ponto A no sentindo escolhido, esquecendo as malhas e (figura 2), temos figura 2 R 1 i 1−E 2+R 6 i 1−E 1 = 0 substituindo os valores do problema fica 1 i1−20+2 i1−10 = 0 3 i 1−30 = 0 3 i 1 = 30 i 1 = 30 i 1 = 10 APara a malha a partir do ponto B no sentindo escolhido, esquecendo as malhas e (figura 3), temos figura 3 R 2 i 2+E 3+R 5 i 5+E 2 = 0 substituindo os valores 2 i 2+10+1 i 5+20 = 0 2 i 2+i 5+30 = 0 2 i 2 +i 5 =−30 (IV) 3 Para a malha a partir do ponto C no sentindo escolhido, esquecendo as malhas e (figura 4), temos figura 4 R 3 i 3−E 4+R 4 i 3−E 3 = 0 substituindo os valores 1 i 3−20+2 i 3−10 = 0 i 3+2 i 3−30 = 0 3 i 3 = 30 i 3 = 30 i 3 = 10 A Substituindo os valores de i 1 e i 3 em (I), (II) e (III), temos com as equações (I), (II), (III) e (IV) um sistema de quatro equações a quatro incógnitas (i 2, i 4, i 5 e i 6) i 2+i 6 = 10 i 2 −i 4 = 10 i 5−i 4 = 10 2 i 2+i 5 =−30 isolando o valor de i 4 na segunda equação, temos i 4 = i 2−10 (V) substituindo (V) na terceira equação, obtemos i 5−( i 2−10 )= 10 i5−i 2+10 = 10 i 5 −i 2 = 10−10 i5−i 2 = 0 i 5 = i 2 (VI) substituindo (VI) na quarta equação, temos 2 i 2+i 2 =−30 3 i 2 =−30 i 2 =− 30 i 2 =−10 A Assim pela expressão (VI) também temos 3 ∣ 3 i 5 =−10 A Substituindo o valor de i 2 na expressão (V), obtemos i 4 =−10−10 i 4 =−20 A Substituindo o valor de i 2 na primeira equação, obtemos −10+ i 6 = 10 i 6 = 10+10 i 6 = 20 A Como o valor das correntes i 2, i 4 e i 5 são negativos, isto indica que seus verdadeiros sentidos são contrários ao escolhido na figura 1. Os valores das correntes são i 1=10 A, i 2=10 A, i 3=10 A, i 4=20 A, i 5=10 A, e i 6=20 A e seus sentidos estão mostrados na figura 5. figura 5 No circuito abaixo determinar as correntes nos ramos, seus verdadeiros sentidos. Dados do problema Resistores R 1 = 1 ; R 2 = 2 R 3 = 1 ; R 4 = 2 R 5 = 1 ; R 6 = 2 f.e.m. das pilhas E 1 = 10 V; E 2 = 20 V. E 3 = 10 V; E 4 = 20 V. Solução Em primeiro lugar a cada ramo do circuito atribuímos, aleatoriamente, um sentido de corrente. No ramo GHAB temos a corrente i 1 no sentido horário, no ramo BC a corrente i 2 indo de B para C, no ramo CDEF a corrente i 3 no sentido horário, no ramo CF a corrente i 4 indo de C para F, no ramo FG a corrente i 5 indo de F para G e no ramo BG a corrente i 6 indo de B para G. Em segundo lugar para cada malha do circuito atribuímos um sentido, também aleatório, para se percorrer a malha. Malha (GHABG), malha (BCFGB) e malha (CDEFC) todas percorridas no sentido horário (figura 1) figura 1 • Aplicando a Lei dos Nós A corrente i 1 chega ao nó B e as correntes i 2 e i 6 saem dele i 1 = i 2+i 6 (I) A corrente i 2 chega ao nó C e as correntes i 3 e i 4 saem dele i 2 = i 3+i 4 (II) As correntes i 3 e i 4 chegam ao nó F e a corrente i 5 sai dele i 5 = i 3+i 4 (III) • Aplicando a Lei das Malhas Para a malha a partir do ponto A no sentindo escolhido, esquecendo as malhas e (figura 2), temos figura 2 R 1 i 1−E 2+R 6 i 1−E 1 = 0 substituindo os valores do problema fica 1 i 1−20+2 i 1−10 = 0 3 i 1−30 = 0 3 i 1 = 30 i 1 = 30 i 1 = 10 A 3 Para a malha a partir do ponto B no sentindo escolhido, esquecendo as malhas e (figura 3), temos figura 3 R 2 i 2+E 3+R 5 i 5+E 2 = 0 substituindo os valores 2 i 2+10+1 i5+20 = 0 2 i 2+i 5+30 = 0 2 i 2 +i 5 =−30 (IV) Para a malha a partir do ponto C no sentindo escolhido, esquecendo as malhas e (figura 4), temos figura 4 R 3 i 3−E 4+R 4 i 3−E 3 = 0 substituindo os valores 1 i 3−20+2 i 3−10 = 0 i 3+2 i 3−30 = 0 3 i 3 = 30 i 3 = 30 i 3 = 10 A Substituindo os valores de i 1 e i 3 em (I), (II) e (III), temos com as equações (I), (II), (III) e (IV) um sistema de quatro equações a quatro incógnitas (i 2, i 4, i 5 e i 6) i 2+i 6 = 10 i 2 −i 4 = 10 i 5−i 4 = 10 2 i 2+i 5 =−30 3 ∣ isolando o valor de i 4 na segunda equação, temos i 4 = i 2−10 (V) substituindo (V) na terceira equação, obtemos i 5−( i 2−10 ) = 10 i 5−i 2+10 = 10 i 5 −i 2 = 10−10 i 5−i 2 = 0 i 5 = i 2 (VI) substituindo (VI) na quarta equação, temos 2 i 2+i 2 =−30 3 i 2 =−30 i 2 =− 30 i 2 =−10 A Assim pela expressão (VI) também temos i 5 =−10 A Substituindo o valor de i 2 na expressão (V), obtemos i 4 =−10−10 i 4 =−20 A Substituindo o valor de i 2 na primeira equação, obtemos −10+ i 6 = 10 i 6 = 10+10 i 6 = 20 A Como o valor das correntes i 2, i 4 e i 5 são negativos, isto indica que seus verdadeiros sentidos são contrários ao escolhido na figura 1. Os valores das correntes são i 1=10 A, i 2=10 A, i 3=10 A, i 4=20 A, i 5=10 A, e i 6=20 A e seus sentidos estão mostrados na figura 5. figura 5 3 Leis de Kirchhoff - Exercícios 03. (UFSC) Considere o circuito da figura abaixo, onde estão associados três resistores (R1, R2 e R3) e três baterias (E1, E2, E3). Um voltímetro ideal colocado entre Q e P indicará: 04. (MACKENZIE) No circuito abaixo, o gerador e o receptor são ideais e as correntes têm os sentidos indicados. Calcule o valor das correntes I, I1 e I2 05. Para o circuito abaixo, determine a intensidade da corrente em cada ramo. 06. (UNISA) No circuito abaixo, as intensidades das correntes i1, i2 e i3, em ampères, valem, respectivamente: 5Ω 07. Determine a d.d.p. entre os pontos A e B do circuito abaixo. TEOREMA DE MAXWELL - Duas Malhas, Duas Fontes, Carga – Duas pilhas cujas f.e.m. e resistências internas são respectivamente E 1 = 20 V, E 2 = 10 V e r 1 = 0,5 , r 2 = 0,2 são ligadas por fios de resistência desprezível a um resistor R = 1 , segundo o esquema indicado na figura. Determinar as intensidades das correntes nos diferentes trechos do circuito. Dados do problema Resistências das pilhas f.e.m. das pilhas r 1 = 0,5 ; r 2 = 0,2 E 1 = 20 V; E 2 = 10 V. Resistência externa R = 1 . Solução Em primeiro lugar a cada malha do circuito atribuímos, aleatoriamente, um sentido de corrente. Na malha ABEFA temos a corrente i 1 no sentido horário, e na malha BCDEB temos a corrente i 2 no sentido anti-horário (figura 1) figura 1 Aplicando a Lei das Malhas de Kirchhoff à malha i 1 a partir do ponto A no sentindo escolhido, esquecendo a malha i 2 (figura 2 - a seguir), escrevemos R ( i 1+i 2 ) +r 1i 1−E 1 = 0 substituindo os valores do problema fica 1( i 1+i 2 ) +0,5 i 1−20 = 0 i1+ i 2+0,5 i 1 = 20 1,5 i 1+ i 2 = 20 (I) Esquecendo a malha i 1 e aplicando a Lei da Malhas à malha i 2, como foi feito acima, temos pela figura 3, a partir do ponto B figura 2 Esquecendo a malha i 1 e aplicando a Lei da Malhas à malha i 2, como foi feito acima, temos pela figura 3, a partir do ponto C figura 3 R ( i 1+i 2 ) +r 2 i 2−E 2 = 0 substituindo os valores do problema fica 1( i 1+ i 2 ) + 0,2 i 2−10 = 0 i1+i 2+0,2 i2 = 10 i 1+1,2 i2 = 10 (II) Com as equações (I) e (II) temos um sistema de duas equações a duas incógnitas (i 1 e i 2) 1,5 i1+i2 = 20 i 1 +1,2 i 2 = 10 isolando o valor de i 2 na primeira equação, temos i 2 = 20−1,5 i 1 (III) substituindo este valor na segunda equação, obtemos i 1+1,2 ( 20−1,5 i1 ) = 10 i 1+24−1,8 i1 =10 1,8 i 1−i 1 = 24−10 0,8 i 1 = 14 i 1 = 0,8 i 1 = 17,5 A Substituindo este valor na expressão (III), temos i 2 = 20−1,5 .17,5 i 2 = 20−26,25 i 2 =−6,25 No ramo BE vai circular uma corrente i 3 dada por i 3 = i 1+i 2 i 3 = 17,5+(−6,25) i 3 = 17,5−6,25 i 3 = 11,25 A O sentido da corrente i 3 será o mesmo da corrente i 1 (de maior valor). Como o valor da corrente i 2 é negativo, isto indica que seu verdadeiro sentido é contrário ao escolhido na figura 1. Os valores das correntes são i1=17,5 A, i2=6,25 A e i3=11,25 A e seus sentidos estão mostrados na figura 4. ∣ 14 figura 4 - Duas Malhas, Várias Fontes, Cargas - No circuito abaixo determinar as correntes nos ramos, seus verdadeiros sentidos e quais elementos são geradores e receptores. Dados do problema Resistores: R 1 = 0,5 ; R 2 = 0,5 ; R 3 = 1 ; R 4 = 0,5 ; R 5 = 0,5 ; R 6 = 3 ; R 7 = 1 . Geradores e Receptores: E 1 = 20 V; E 2 = 20 V; E 3 = 6 V. Solução Em primeiro lugar a cada malha do circuito atribuímos, aleatoriamente, um sentido de corrente. Na malha ABEFA temos a corrente i 1 no sentido horário e na malha BCDEB temos a corrente i 2 também sentido horário (figura 1) figura 1 Aplicando a Lei das Malhas de Kirchhoff à malha i 1 a partir do ponto A no sentindo escolhido, esquecendo a malha i 2 (figura 2 - a seguir), escrevemos R 2 i 1+R4( i1−i2 )+E 2+R 5 ( i1−i2 )+R 3 i 1+R 1 i 1−E 1 = 0 substituindo os valores do problema fica 0,5 i1+0,5( i1−i2 )+20+0,5 ( i1−i2 )+1 i 1+0,5 i1−20 = 0 0,5 i1+0,5( i 1−i 2 )+0,5( i 1−i 2 )+1 i1+0,5 i1 = 0 0,5 i1+0,5 i 1−0,5 i 2+0,5 i1−0,5 i2+1 i1+0,5 i1 = 0 3 i1−i2 = 0 (I) figura 2 Esquecendo a malha i1 e aplicando a Lei da Malhas à malha i2, como foi feito acima, temos pela figura 3, a partir do ponto B figura 3 R 6 i 2+E3+R 7 i 2+R 5 (i 2−i 1 )−E2+R4 ( i 2− i 1) = 0 substituindo os valores do problema fica 3 i2+6+1 i2+0,5 ( i2−i1 )−20+0,5 ( i 2− i 1 ) = 0 3 i 2+i 2+0,5 i 2−0,5 i 1−14+0,5 i 2−0,5 i 1 = 0 −i 1+5 i 2 = 14 (II) Com as equações (I) e (II) temos um sistema de duas equações a duas incógnitas (i 1 e i 2) 3 i1−i2 = 0 −i1+5 i2 = 14 isolando o valor de i 2 na primeira equação, temos i 2 = 3 i1 (III) substituindo este valor na segunda equação, obtemos −i1+5.3 i1 = 14 −i1+15 i1 = 14 14 i1 = 14 i 1 = 14 i 1 = 1 A Substituindo este valor na expressão (III), temos i 2 = 3.1 i 2 = 3 A No ramo BE vai circular uma corrente i 3 dada por i 3 = i 2−i 1 i 3 = 3−1 i 3 = 2 A O sentido da corrente i 3 será o mesmo da corrente i 2 (de maior valor). Como o valor das correntes são todos positivos, isto indica que os sentidos escolhidos na figura 1 são corretos. Os valores das correntes são i1=1 A, i2=3 A e i3=2 A e seus sentidos estão mostrados na figura 4. figura 4 Os elementos E 1 e E 2 são geradores, pois as correntes têm sentido de (-) para (+) e o elemento E 3 é um receptor, o sentido da corrente é de (+) para (-). - Três Malhas, Várias Fontes, Cargas - No circuito abaixo determinar as correntes nos ramos, seus verdadeiros sentidos. ∣ 14 Dados do problema Resistores R 1 = 1 ; R 2 = 2 R 3 = 1 ; R 4 = 2 R 5 = 1 ; R 6 = 2 . f.e.m. das pilhas E 1 = 10 V; E 2 = 20 V. E 3 = 10 V; E 4 = 20 V. Solução Em primeiro lugar a cada malha do circuito atribuímos, aleatoriamente, um sentido de corrente. Nas malhas ABGHA, BCFGB e CDEFC temos, respectivamente, as corrente i 1, i 2 e i 3 no sentido horário (figura 1) figura 1 Aplicando a Lei das Malhas de Kirchhoff à malha i 1 a partir do ponto A no sentindo escolhido, esquecendo as malhas i 2 e i 3 (figura 2 - a seguir), escrevemos R 1 i1−E2+R 6 i1−E 1 = 0 substituindo os valores do problema fica 1 i1−20+2 i1−10 = 0 3 i 1−30 = 0 3 i 1 = 30 i 1 = 30 i 1 = 10 A 3 figura 2 Esquecendo as malhas i 1 e i 3 e aplicando a Lei da Malhas à malha i 2, como foi feito acima, temos pela figura 3, a partir do ponto B figura 3 R 2 i2+E3+R 5 i2+E2 = 0 substituindo os valores 2 i2+10+1 i2+20= 0 2 i 2+i 2+30 = 0 2 i 2 +i 2 =−30 3 i 2 =−30 i 2 = −30 i 2 =−10 A Esquecendo as malhas i1 e i2 e aplicando a Lei da Malhas à malha i3, como foi feito acima, temos pela figura 4, a partir do ponto C figura 4 R 3 i 3−E4+R4 i3−E3 = 0 3 substituindo os valores 1 i 3−20+2 i3−10 = 0 i 3+2 i3−30 = 0 3 i 3 = 30 i 3 = 30 i 3 = 10 A No ramo BG vai circular uma corrente i 4 dada por i 4 = i 1−i 2 i 4 = 10− (−10 ) i 4 = 10+10 i 4 = 20 A O sentido da corrente i 4 será o mesmo da corrente i 1. No ramo CF vai circular uma corrente i 5 dada por i 5 = i 3−i 2 i 5 = 10− (−10 ) i 5 = 10+10 i 5 = 20 A O sentido da corrente i 5 será o mesmo da corrente i 3. Como o valor da corrente i 2 é negativo, isto indica que seu verdadeiro sentido é contrário ao escolhido na figura 1. Os valores das correntes são i 1=10 A, i 2=10 A, i 3=10 A, i 4=20 A, e i 5=20 A e seus sentidos estão mostrados na figura 5. figura 5 - Três Malhas, Várias Fontes, Cargas - No circuito abaixo determinar as correntes nos ramos e seus verdadeiros sentidos. Dados do problema Resistores 3 R 1 = 2 ; R 2 = 3 R 3 = 2 ; R 4 = 2 R 5 = 3 ; R 6 = 2 ; R 7 = 3 ; R 8 = 2 . f.e.m. das pilhas E 1 = 5 V; E 2 = 5 V. E 3 = 4 V. Solução Em primeiro lugar a cada malha do circuito atribuímos, aleatoriamente, um sentido de corrente. Nas malhas ABGHA, BCFGB e CDEFC temos, respectivamente, as corrente i 1, i 2 e i3 no sentido horário (figura 1) figura 1 Aplicando a Lei das Malhas de Kirchhoff à malha i 1 a partir do ponto A no sentindo escolhido, esquecendo as malhas i 2 e i 3 (figura 2 - a seguir), escrevemos R 2 i1+R 3( i 1−i 2 ) + R 1 i 1−E 1 = 0 substituindo os valores do problema fica 3 i1+2 ( i 1−i 2 )+2 i 1−5 = 0 3 i1+2i 1−2i 2+2i1 = 5 7i 1 −2i 2 = 5 (I) figura 2 Esquecendo as malhas i1 e i3 e aplicando a Lei da Malhas à malha i2, como foi feito acima, temos pela figura 3, a partir do ponto B figura 3 R 4 i2−E2+R6( i2 −i 3 )+R 5 i2+R 3 (ì 2−i 1) = 0 substituindo os valores 2i 2−5+2(i 2−i 3 ) + 3 i2 + 2 ( i 2−i1) = 0 2i2+2i2−2i3+3 i2+2i2−2i1 = 5 −2i 1 +9i 2 −2i 3 = 5 (II) Esquecendo as malhas i1 e i2 e aplicando a Lei da Malhas à malha i3, como foi feito acima, temos pela figura 4, a partir do ponto C figura 4 R 8 i 3−E 3+R 7 i 3+R 6 ( i 3−I2 )+E 2 = 0 substituindo os valores 2i 3−4+3i3+2(i3−i2)+5 = 0 2i 3+3i3+2i 3−2 ì2+1 = 0 −2 ì 2 +7i 3 =−1 (III) Com as equações (I), (II) e (III) temos um sistema de três equações a três incógnitas ( i 1, i 2, i 3, i 4, i 5 e i 6 ) 7i 1−2i 2 = 5 −2i 1+9i 2−2 i 3 = 5 (VII) −2 ì 2 +7i 3 =−1 isolando o valor da corrente i 1 na primeira equação e da corrente i 3 na terceira equação, temos 7i 1−2i2 = 5 7 i 1 = 5+2i 2 i 1 = 5+2 i 2 −2 ì 2+7 i 3 =−1 7 i 3 =−1−2 ì 2 e i 3 = −1+2 ì 2 (VIII) ∣ 7 7 substituindo estes valores na segunda equação, obtemos −2 ( 5+2 i 2 )+9 i 2−2 ( −1+2 ì 2 ) = 5 −10−4 i 2 +9 i 2 + 2−4 ì 2 = 5 multiplicando onumerador e o denominador do segundo termo do lado esquerdo da igualdade e do lado direito, temos −10−4 i 2 + 7 .9 i 2+ 2−4 ì 2 = 5. 7 −10−4 i 2 63 2−4 ì 2 35 7 7 2 7 7 −10−4 i 2+63 i 2+ 2−4 ì 2 35 7 7 simplificando o fator 7 de ambos os lados da igualdade −10−4 i 2+63 i 2+2−4 ì 2 = 35 −8−55 i 2 = 35 55 i 2 = 35+8 i 2 = 55 i 2 = 0,78 A Substituindo este valor nas expressões dadas em (VIII) obtemos os valores das correntes i 1 e i 3 Observação: ao invés de substituirmos a corrente no valor decimal vamos substituir o valor dado pela fração para diminuir erros de arredondamento. 5+2. 43 i 1 = i 1 = ( 5+2. 55 ) 7 multiplicando o numerador e o denominador do primeiro termo entre parênteses por 55, temos i 1 = ( 5. 55 +2. 43 ) 1 275 86 1 1 55 55 7 i 1 = 361 . 1 361 1 385 i 1 = 0,94 A −1+2. 43 i 3 = i 3 = (−1+2. 55 ) 7 multiplicando o numerador e o denominador do primeiro termo entre parênteses por 55, temos 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 + i + = = 43 55 7 43 1 55 55 7 i = ( ) 55 7 i = 55 7 43 1 i 3 = (−1. 55 +2. 43 ) 1 −55 86 1 3 55 55 7 i 3 = 31 . 1 31 3 385 i 3 = 0,08 A No ramo BG vai circular uma corrente i 4 dada por i 4 = i 1−i 2 361 43 4 385 55 o Mínimo Múltiplo Comum (M.M.C.) entre 55 e 385 é 60 mmc (55, 385) = 385 361.1−43. 7 4 385 361−301 4 385 i 4 = 385 dividindo o numerador e o denominador por 5 60:5 4 385:5 i 4 = 77 i 4 = 0,16 A O sentido da corrente i 4 será o mesmo da corrente i 1 (de maior valor). No ramo CF vai circular uma corrente i 5 dada por i 5 = i 2−i 3 43 31 5 55 385 o mmc (55, 385) = 385 43.7−31.1 5 385 301−31 5 385 270 5 385 dividindo o numerador e o denominador por 5 270 :5 5 385 :5 i 5 = 77 i 5 = 0,70 A O sentido da corrente i 5 será o mesmo da corrente i 2 (de maior valor). Os valores das correntes são i 1=0,94 A, i 2=0,78 A, i 3=0,08 A, i 4=0,16 A, e i 5=0,70 A e seus sentidos estão mostrados na figura 5. 55 55 7 i = ( ) 55 7 i = i = − i = i = 60 i = 12 i = − i = i = i = i = 54 figura 5 TEOREMA DE MAXWELL - EXERCÍCIOS 01. (MACKENZIE) No circuito abaixo, o gerador e o receptor são ideais e as correntes têm os sentidos indicados. Calcule o valor das correntes I, I1 e I2. 02. Para o circuito abaixo, determine a intensidade da corrente em cada ramo. 03. (UNISA) No circuito abaixo, as intensidades das correntes i1, i2 e i3, em ampères, valem, respectivamente: 04. Determine a ddp entre os pontos A e B do circuito abaixo. 5Ω 05. (CESESP-PE) No circuito a seguir, o valor em ohms da resistência R, que deve ser colocada entre os pontos A e B para que circule no resistor de 10Ω uma corrente de 0,6A,é: TEOREMA DE THEVÈNIN O teorema de Thevènin estabelece que qualquer circuito linear visto de um ponto, pode ser representado por uma fonte de tensão (igual à tensão do ponto em circuito aberto) em série com uma impedância (igual à impedância do circuito vista deste ponto). A esta configuração chamamos de Equivalente de Thévenin em homenagem a Léon Charles Thévenin1, e é muito útil para reduzirmos circuitos maiores em um circuito equivalente com apenas dois elementos a partir de um determinado ponto, onde se deseja, por exemplo, saber as grandezas elétricas como tensão, corrente ou potência. Resumindo: qualquer rede linear com fonte de tensão e resistências, pode ser transformada em uma Rth (resistência equivalente de Thévenin) em série com uma fonte Vth (tensão equivalente de Thévenin), considerando-se dois pontos quaisquer. Vejamos um circuito básico: Procedimento para a obtenção do circuito equivalente de Thévenin, a partir do resistor R3. 1. considerando-se que R3 é uma carga qualquer, elimina-se o mesmo do circuito obtendo-se assim os pontos a e b; 2. coloca-se a fonte E em curto; 3. com a fonte em curto, calcula-se a resistência equivalente vista através dos pontos a e b; 4. elimina-se o curto da fonte, e calcula-se agora a tensão entre os pontos a e b, onde se observa tratar-se de um divisor de tensão. Procedimento para a obtenção do circuito equivalente de Thévenin, a partir do resistor R2. Voltando ao circuito inicial, a título de aprendizado e fixação de conceito, veremos como ficaria o circuito equivalente de Thévenin a partir do resistor R2. 1. o procedimento é idêntico ao anterior, só que agora eliminaremos o resistor R2; 2. calcula-se a resistência equivalente de Thévenin vista a partir dos pontos a e b; 3. como anteriormente descrito, elimina-se o curto da fonte e calcula-se a tensão equivalente de Thévenin. Neste caso, Vth é a tensão nos extremos de R3, que será a mesma entre os pontos a e b. EXEMPLO 1: Calcule o equivalente Thévenin no circuito abaixo: 1. colocando a fonte em curto, podemos calcular a Rth: Rth = 4 6 = 10 = 2,4Ω 2. eliminando-se o curto da fonte, calcula-se agora Vth, que é a tensão nos extremos de R2 20 .6 120 4 6 10 = 12V Vth = = 4.6 24 O circuito equivalente Thévenin ficará então composto por Vth e Rth conforme ilustra a figura abaixo: Neste caso, a partir deste circuito equivalente, podemos calcular rapidamente a corrente, potência ou tensão em qualquer resistor ligado entre os pontos a e b. Para mostrar a utilidade da aplicação do teorema de Thévenin, calculemos a corrente em uma carga resistiva de 3,6Ω inserida entre os pontos a e b, das duas maneiras: 1. usando o circuito equivalente de Thévenin: A corrente na carga será: I = Vth / Rth + R pois os resistores estão em série I = 12 / 2,4Ω + 3,6Ω I = 12 / 6 = 2A 2. usando o circuito original (sem o equivalente de Thévenin) Cálculo de IT IT = E / RT RT = R1 + R2//3,6Ω = 4Ω + 6Ω//3,6Ω RT = 4Ω + 2,25Ω = 6,25Ω (6Ω//3,6Ω = 2,25Ω) IT = 20V / 6,25Ω = 3,2A 3,2 . 6 19,2 9,6 9,6 Verifica-se que o resultado é o mesmo, porém com um processo de cálculo muito mais trabalhoso, principalmente se tivermos que calcular valores de correntes em resistores de diversos valores, como por exemplo, um resistor variável (potenciômetro). EXEMPLO 2: Calcular a tensão, corrente e potência na carga utilizando o teorema de Thévenin: 1. eliminando a carga: 2. curto-circuito na fonte: 3. calculando a resistência equivalente de Thévenin, vista entre os pontos a e b: A resistência equivalente de Thévenin vista entre os pontos a e b é: R1 // (R2//R3) I = = = 2A R2//R3 = 18.9 = 162 = 6Ω Rth = 6Ω//2Ω = 6.2 = 12 = 1,5Ω 4. A tensão equivalente de Thévenin (Vth) é a tensão nos extremos da associação paralela entre R2 e R3, portanto, presente entre os pontos a e b: Vth = 20.6 = 120 = 15V O circuito equivalente de Thévenin é mostrado abaixo: Tensão na carga: Tensão na carga = 9 1,5 = 10,5 = 12,857V Corrente na carga: Como se trata de uma associação série, ou um divisor de tensão, teremos a corrente igual para os dois resistores, assim: Corrente na carga= 9 1,5 = 10,5 = 1,428A Potência na carga: Potência na carga = E.I, onde E é a tensão na carga (12,857V) e I é acorrente na carga (1,428A) Portanto: 12,857 . 1,428 = 18,36W 18 9 27 6 2 8 6 2 8 15.9 135 15 15 EXEMPLO 3: Calcular a tensão na carga, usando o teorema de Thévenin: 1. eliminando a carga e otimizando o circuito, temos: 2. colocando a fonte em curto e calculando Rth: 3. eliminando o curto da fonte e calculando Vth: 4. desenhando o equivalente de Thévenin e calculando a tensão na carga: Tensão na carga: 30.15 450 7,5 15 22,5 EXEMPLO 4: Calcular a tensão nos extremos do resistor R3 (pontos a e b) e a corrente que circula pelo mesmo, usando o teorema de Thévenin: 1. removendo a carga e colocando E1 em curto: Iniciaremos calculando Vth. A tensão entre os pontos a e b, que é a tensão equivalente de Thévenin, é a mesma nos extremos de R1. Observe que R1 está em paralelo com os pontos a e b devido ao curto em E1. Então Vab, devido ao curto em E1: = = = 20V R3 6Ω Vab = 21 .12 = 252 = -16,8V Como a tensão E2 está invertida, então a tensão entre os pontos a e b devido a E1, será negativa. 2. Colocando E2 em curto e retirando o curto de E1, recalcularemos então Vab, vista sob a influência de E1: Calculando Vab devido ao curto em E2: Vab = 84 .3 = 252 = -16,8V 3. cálculo de Vth: Tanto E1 como E2 produzem – 16,8V entre a e b e essas tensões deverão ser somadas por possuírem polaridades iguais. Assim: Vth = -16,8V + -16,8V = -33,6V 4. cálculo de Rth: Com E1 e E2 em curto, teremos entre os pontos a e b os resistores R1 e R2 em paralelo. Assim Rth = 12 3 = 15 = 2,4Ω Portanto, teremos o circuito equivalente de Thévenin: 12 3 15 12 3 15 12.3 36 Tensão em R3 33,6 . 6 201,6 2,4 6 8,4 Corrente em R3 33,6 33,6 2,4 6 8,4 A figura a seguir mostra a simulação do circuito em laboratório virtual (Multisim), onde: XMM1 é o voltímetro que mede a tensão entre a e b XMM2 é o amperímetro que mede a corrente em R3 = = 24V = = 4A OBS: a tensão entre os pontos a e b que é a tensão equivalente de Thévenin (Vth), pode ser calculada também da seguinte forma: V1.R2 V2.R1 -84(3) -21(12) -252 (-252) -504 R1 R2 12 3 15 15 EXEMPLO 5: Calcular no circuito a seguir a tensão e a corrente na carga (RL) utilizando o teorema de Thévenin. O circuito a seguir tem uma configuração idêntica a Ponte de Wheatstone2. Se houver uma correta relação entre os resistores R1, R2, R3 e R4 a tensão no resistor RL (entre os pontos a e b) será zero, logo, a corrente também será nula. 1. elimina-se a carga e calcula-se a tensão nos extremos de cada resistor: 30.6 180 6 4 10 VR2 = 30.4 = 120 = 12V VR3 = 30.3 = 90 = 10V VR4 = 30.6 = 180 = 20V Entre os pontos c e d temos presente a tensão da fonte. Os resistores R1+ R2 estão em paralelo com R3 + R4, formando VR1 = = = 18V 6 4 10 3 6 9 3 6 9 ambos os ramais um divisor de tensão. 2. cálculo de Vth: Considerando o ponto d aterrado teremos o ponto a mais negativo do que o ponto b. Assim, Vth = - 20V - (-12V) = - 20V + 12V = - 8V Vth = - 8V 3. cálculo de Rth: Colocando E em curto, teremos: Rth = 4,4Ω equivalente de Thévenin 4. cálculo da tensão e corrente na carga (RL) Corrente na carga: I = 4,4 2 = 6,4 = -1,25A Tensão na carga: - 8 - 8 VRL = 4,4 2 = 6,4 = - 2,5V O circuito simulado no laboratório virtual Multisim é mostrado abaixo: TEOREMA DE NORTON Serve para simplificar redes em termos de correntes e não de tensões, como é o caso do método de Thévenin. O teorema de Norton tal como o Teorema de Thévenin permite simplificar redes elétricas lineares, reduzindo-as apenas a um circuito mais simples: um gerador de corrente com uma resistência em paralelo. - 8 .2 -16 Procedimento para a obtenção do circuito equivalente de Norton, a partir do resistor R3. 1. considerando-se que R3 é uma carga qualquer, elimina-se o mesmo do circuito obtendo-se assim os pontos a e b; 2. coloca-se a fonte E em curto; 3. com a fonte em curto, calcula-se a resistência equivalente vista através dos pontos a e b; Observa-se que o procedimento para calcular a resistência equivalente de Norton é idêntico ao usado no método de Thévenin. 4. elimina-se o curto da fonte, coloca-se a carga em curto e calcula-se agora a corrente entre os pontos a e b. Observa-se que os resistores R2 e R3 estão em curto devido ao curto colocado na carga. Assim, os pontos a e b deslocam-se para os extremos de R2 e a corrente equivalente de Norton é a corrente que circula no circuito devido a R1. IN = R1 EXEMPLO 1: Calcule o equivalente Norton no circuito abaixo: (este exercício foi resolvido no capitulo anterior pelo método de Thévenin) 3. colocando a fonte em curto, podemos calcular a RN: RN = 4 6 = 10 = 2,4Ω 4. eliminando-se o curto da fonte, e colocando os pontos a e b em curto, calcula-se a corrente equivalente de Norton: IN = 20 = 5A O circuito equivalente Norton ficará então composto por IN e RN conforme ilustra a figura abaixo: E 4.6 24 4 Neste caso, a partir deste circuito equivalente, podemos calcular rapidamente a corrente, potência ou tensão em qualquer resistor ligado entre os pontos a e b, a exemplo do que ocorria com o método de Thévenin. Colocando uma carga de 3,6Ω entre a e b, teremos uma corrente na mesma, conforme cálculo abaixo: I (carga) = 2,4 3,6 = 6 = 2A EXEMPLO 2: Calcular a tensão, corrente e potência na carga utilizando o teorema de Norton: (este exercício foi resolvido no capitulo anterior pelo método de Thévenin) 1. eliminando a carga: 2. curto-circuito na fonte: 3. calculando a resistência equivalente de Norton, vista entre os pontos a e b: 5 .2,4 12 A resistência equivalente de Norton vista entre os pontos a e b é: R1 // (R2//R3) R2//R3 = 18.9 = 162 = 6Ω RN = 6Ω//2Ω = 6.2 = 12 = 1,5Ω 4. a corrente equivalente de Norton (IN) é a corrente resultante do resistor R1, pois com a carga em curto, estando os resistores R2 e R3 em paralelo com a mesma, todos estarão em curto. Portanto: IN = 20 = 10A O circuito equivalente de Norton é mostrado abaixo: Corrente na carga: Corrente na carga = 1,5 9 = 10,5 = 1,428A Tensão na carga: Tensão na carga = 9 . 1,428 = 12,852V 18 9 27 6 2 8 2 10 .1,5 15 Potência na carga: Potência na carga = E.I, onde E é a tensão na carga (12,852V) e I é a corrente na carga (1,428A) Portanto: 12,852 . 1,428 = 18,35W EXEMPLO 3: Calcular a tensão na carga, usando o teorema de Norton: (este exercício foi resolvido no capitulo anterior pelo método de Thévenin)1. eliminando a carga e otimizando o circuito, temos: 2. colocando a fonte em curto e calculando RN: 3. eliminando o curto da fonte, colocando os pontos a e b em curto (carga), podemos calcular IN: 4. desenhando o equivalente de Norton e calculando a tensão na carga: Corrente na carga = 7,5 15 = 22,5 = 1,333A Tensão na carga = 15 . 1,333 = 19,995V ≈ 20V EXEMPLO 4: No circuito a seguir calcular a tensão nos extremos do resistor R3 (pontos a e b) e a corrente que circula pelo mesmo, usando o teorema de Norton (este exercício foi resolvido no capitulo anterior pelo método de Thévenin): 4 .7,5 30 1. cálculo de RN: Com E1 e E2 em curto, teremos entre os pontos a e b os resistores R1 e R2 em paralelo. Assim RN = 12 3 = 15 = 2,4Ω 2. cálculo de IN: Colocando a carga em curto: Com a carga em curto, resulta nas correntes I1 e I2 provenientes das fontes E1 e E2 respectivamente. 12.3 36 As correntes I1 e I2 circularão entre os pontos a e b, e como estão no mesmo sentido serão somadas. I1 = E1 = -84 = - 7A I2 = R2 = -21 = - 7A Portanto: IN = -7A + (-7A) = - 14A 3. circuito equivalente de Norton Corrente na carga: I (carga) = 14 .2,4 = 33,6 = 4A Tensão na carga: E (carga) = R . I = 6 . 4 = 24V EXEMPLO 5: Calcular no circuito a seguir a tensão e a corrente na carga (RL) utilizando o teorema de Norton (este exercício foi resolvido no capitulo anterior pelo método de Thévenin): R1 12 E2 3 6 2,4 8,4 1. cálculo de RN: Colocando E em curto, teremos: RN = 2 + 2,4 = 4,4Ω, pois as associações R3//R4 e R1//R2 ficam em série, conforme ilustra a figura a seguir: 2. cálculo de IN: Para calcular IN, devemos calcular a tensão entre os pontos a e b, sem a carga. Essa tensão é a tensão de Thévenin. Observa-se que o ponto a é mais negativo do que o ponto b, considerando o ponto d como referência (aterrado). A resistência equivalente entre os pontos a e b será então: 2Ω + 2,4Ω = 4,4Ω. IN = 4,4 = - 1,818A Circuito equivalente de Norton Corrente na carga: I (carga) = - 1,818 . 4,4 = - 7,992 = - 1,24875 ≈ - 1,25A Tensão na carga: E (carga) = 2 . -1,25 = - 2,5V EXERCÍCIO: No circuito abaixo, calcule a tensão e a corrente na carga RL, aplicando os teoremas de Thévenin e Norton e faça a comparação dos resultados. 1. calculando a resistência equivalente de Thévenin e Norton: Lembrando que o processo é o mesmo para o cálculo de RN e Rth - 8 4,4 2 6,4 24//12 = 24.12 = 288 = 8Ω 30//60 = 30.60 = 1800 = 20Ω RN = Rth = 20 + 8 = 28Ω 2. calculando Vth: Retira-se a carga e calcula-se a tensão em cada resistor: Considerando o ponto c como referência, teremos então o ponto b menos positivo do que o ponto d, assim: Vth = - 30V 3. circuito equivalente de Thévenin: 24 12 36 30 60 90 O circuito equivalente de Thévenin é mostrado a seguir: Corrente na carga: 30 / 38 = 789,47mA Tensão na carga: 10 . 789,47mA = 7,895V 4. calculando IN: Partindo da tensão de Thévenin - 30V, podemos calcular a corrente de Norton: IN = -30 / 28 = - 1,071A 5. circuito equivalente de Norton: Corrente na carga: 1,071.28 = 29,988 = 789,158mA Tensão na carga: 10 . 789,158mA = 7,892V TEOREMA DE MILLMAN Um conjunto de N fontes de tensão, Vn (n = 1,2,3,..., N), associadas em paralelo, cada qual com uma resistência interna Rn, pode ser representado por uma única fonte de tensão V em série com um resistor R, tal que: R1 R2 R3 RN R + + + ... + + V1 V2 V3 VN V - - - - - 28 10 38 V1 + V2 + V3 + VN 1 = 1 V = R1 R2 R3 RN R ∑R´s R = ∑R´s 1 + 1 + 1 + 1 R1 R2 R3 RN EXERCÍCIOS 1- Utilizando o Teorema de Millman determinar a tensão entre os terminais do resistor RC da figura abaixo, bem como a corrente I1 que o atravessa. 2- Utilizando o teorema de Millman, determine a tensão medida entre os pontos X e Y. I1 VRc
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