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Manuel Adriano Malaicha Mazive Oscilações electromagnéticas Licenciatura em Física Universidade Save Extensão da Massinga 2021 2 Manuel Adriano Malaicha Mazive Oscilações electromagnéticas Licenciatura em Física Prof. Dr. Paed.: Alberto Marcos Hallar Universidade Save Extensão da Massinga 2021 Trabalho de pesquisa científica a ser apresentado no departamento de ciências naturais e exactas para efeitos de avaliação na cadeira de oscilações ondas optica e laboratório. 3 Índice 1. Introdução .............................................................................................................................. 4 1.1.1. Objectivos .................................................................................................................... 4 1.1.2. Gerais ....................................................................................................................... 4 1.1.3. Específicos ................................................................................................................ 4 1.2. Metodologias ................................................................................................................... 4 2. Oscilações eletromagnéticas .................................................................................................. 5 3. O oscilador Bloco-Mola ......................................................................................................... 7 4. Oscilador LC ........................................................................................................................... 7 5. Oscilações Amortecidas num Circuito RLC ........................................................................ 8 6. Oscilações forçadas no circuito RLC ................................................................................... 9 7. Circuito RLC série............................................................................................................... 11 7.1. Potencia média fornecida a um circuito ..................................................................... 11 8. Aplicação da ressonância nos circuitos eléctricos ............................................................. 13 9. Conclusão ............................................................................................................................. 14 10. Bibliografia ....................................................................................................................... 15 4 1. Introdução Este trabalho surge no âmbito de avaliação na cadeira de oscilações ondas optica e laboratório lecionada na Universidade Save, extensão da Massinga, que visa falar de oscilações electromagnéticas. As oscilações de carga e corrente resultam em oscilações do campo elétrico do capacitor e do campo magnético do indutor, a que chamamos oscilações eletromagnéticas. Já vimos que em um sistema mecânico oscilante, constituído por um bloco de massa m, uma mola de constante elástica k com a massa imersa me um fluido viscoso (tal como óleo), o deslocamento x varia no tempo. Neste sistema a energia oscila entre a cinética da massa oscilante e a energia potencial da mola, sendo dissipada gradualmente (fluido viscoso) em energia térmica. Oscilador amortecido. Agora vamos ver como a carga eléctrica q varia com o tempo num circuito constituído por um indutor (L),um capacitor (C) e um resistor (R). E Como a energia é transferida do campo elétrico do capacitor para o campo magnético do indutor e, vice-versa, sendo dissipada gradualmente no resistor. Oscilador amortecido. 1.1.1. Objectivos 1.1.2. Gerais Falar das oscilações electromagnéticas 1.1.3. Específicos Estudar um circuito RLC série ao qual é aplicada uma força electromotriz sinusoidal; Determinar as amplitudes e diferenças de fase entre as tensões e correntes eléctricas nos vários elementos do circuito; Determinar a potência dissipada no circuito. 1.2. Metodologias Para a realização do presente trabalho, consultou se vários livros cujas biografias constam no fim do mesmo. 5 2. Oscilações eletromagnéticas Circuito oscilatório simples é um sistema constituído por uma bobina e por um condensador em que se podem produzir oscilações. Há três parâmetros que caracterizam o fluxo de cargas através de um circuito eléctrico: a capacitância, C, a resistência R e a auto indutância L. No circuito ocorre oscilação porque à medida que se descarrega o condensador, a força electromotriz na auto indutância tende a manter uma corrente em sentido oposto que recarrega o condensador. Quando o condensador se carrega de novo, o processo se repete em sentido oposto, dado que ele tende a descarregar - se novamente. Dentro do circuito eléctrico a intensidade da corrente estacionária é constante. De acordo com a lei de Ohm, temos a queda de tensão em C em L e a total é a soma das duas. 𝐼𝑅 = 𝑈1 − 𝑈1 + 𝜀𝑜. Devido ao fornecimento de auto indutância temos 𝑈1 − 𝑈2 e 𝜀0. 𝑈1 − 𝑈2 = − 𝑞 𝑐 Sendo a carga q a carga electromotriz dada por 𝜀𝑜 = −𝐿 𝑑𝐿 𝑑𝑡 Que se regista quando o circuito é fechado. Igualando as quedas de tensão através da resistência e do condensador, a fem induzida, teremos 𝑉𝐿 = 𝑅𝐼 + 𝑞 𝑐 Ou 𝑅𝐼 = −𝐿 𝑑𝐿 𝑑𝑡 − 𝑞 𝑐 . Derivando a equação em ordem a t em cada membro temos. 𝑅 𝑑𝐼 𝑑𝑡 = −𝐿 𝑑2𝐼 𝑑𝑡2 − 1 𝑐 𝑑𝑞 𝑑𝑡 ⟺ 𝑅 𝑑𝐼 𝑑𝑡 + 𝐿 𝑑2𝐼 𝑑𝑡2 + 1 𝑐 𝑑𝑞 𝑑𝑡 = 0 ⟺ 𝐿 𝑑2𝐼 𝑑𝑡2 + 𝑅 𝑑𝐼 𝑑𝑡 + 1 𝑐 𝑑𝑞 𝑑𝑡 = 0. O sentido positivo de I foi escolhido de modo 𝐼 = 𝑑𝑞 𝑑𝑡 , nisto, podemos substituir e ter 𝐿 𝑑2𝐼 𝑑𝑡2 + 𝑅 𝑑𝐼 𝑑𝑡 + 1 𝑐 𝐼 = 0. 𝐿 𝑑2𝐼 𝑑𝑡2 + 𝑅 𝑑2𝐼 𝑑𝑡2 + 1 𝑐 𝐼 = 0 ⟺ 𝑑2𝐼 𝑑𝑡2 + 𝑅 𝐿 𝑑𝐼 𝑑𝑡 + 1 𝐶𝐿 𝐼 = 0. 𝛾 = 𝑅 2𝐿 ⟺ 𝑅 𝐿 = 2𝛾 ∧ 1 𝐶𝐿 = 𝜔0 2 ⟹ 𝑑2𝐼 𝑑𝑡2 + 2𝛾 𝑑𝐼 𝑑𝑡 + 𝜔𝑜 2𝐼 = 0 ⟺ 𝐼̈ + 2𝛾𝐼̇ + 𝜔0 2𝐼 = 0 6 Nos circuitos (RC e RL), a carga, a corrente e a diferença de potencial crescem ou decrescem exponencialmente com o tempo. Agora a terceira combinação destes elementos, ou seja, o circuito LC, as grandezas (carga, corrente e diferença de potencial) não variam exponencialmente com o tempo, mas sim senoidalmente (com um determinado período T e uma frequência angular 𝜔0). As oscilações de carga e corrente resultam em oscilações do campo elétrico do capacitor e do campo magnético do indutor, a que chamamos de oscilações eletromagnéticas. Na figura abaixo estão representados oito estágios em um único ciclo de oscilação de um circuito LC sem resistência. Supomos que inicialmente a carga q do capacitor tem o seu valor máximo Q e a corrente i que atravessa o indutor é nula. Do ponto de vista formal, um circuito LC é análogo a um oscilador harmônico simples, que pode ser representado por um sistema massa-mola: 7 3. O oscilador Bloco-Mola Equação diferencial que governa a transferência de energia do oscilador bloco-mola. (aqui vamos fazer uma mudança de letras das variáveis para simplificar a comparação). 𝑈 = 𝑈𝑏 + 𝑈𝐾 = 1 2 𝑚𝑣2 + 1 2 𝐾𝑥2 Para sistemas sem atrito (sistemas conservativos) U permanece constante, logo: 𝑑𝑈 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 ( 1 2 𝑚𝑣2 + 1 2 𝑘𝑥2) = 𝑚𝑣 𝑑𝑣 𝑑𝑡 + 𝑘𝑥 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = 0 onde 𝑣 = 𝑑𝑥 𝑑𝑡 e 𝑑𝑣 𝑑𝑡 = 𝑑2𝑥 𝑑𝑡2 Equação diferencial fundamental que governa as oscilações bloco-mola 𝑚 𝑑2𝑥 𝑑𝑡2 + 𝑘𝑥 = 0 Com deslocamento x(t) dada por 𝑥(𝑡) = 𝑋𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + ∅) 4. Oscilador LC Vamos analisar o circuitoLC sem resistência, da mesma forma que acima. 𝑈 = 𝑈𝐵 + 𝑈𝐸 = 1 2 𝐿𝑖2 + 𝑞2 2𝐶 Como não temos resistência no circuito (sistema conservativo) U permanece constante, logo: 𝑑𝑈 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 ( 1 2 𝐿𝑖2 + 𝑞2 2𝐶 ) = 𝐿𝑖 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + 𝑞 𝐶 𝑑𝑞 𝑑𝑡 = 0 onde 𝑖 = 𝑑𝑞 𝑑𝑡 e 𝑑𝑖 𝑑𝑡 = 𝑑2𝑞 𝑑𝑡2 Equação diferencial fundamental que descreve um circuito LC 𝐿 𝑑2𝑞 𝑑𝑡2 + 1 𝐶 𝑞 = 0 Como as equações são matematicamente idênticas, sua solução também deve ser 𝑞(𝑡) = 𝑄𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + ∅) A frequência angular natural de oscilação de um sistema bloco-mola corresponde a 𝜔 = 1 √𝐿𝐶 Como podemos ver. 8 𝑑𝑞 𝑑𝑡 = 𝑖 = −𝜔𝑄𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 + ∅) e 𝑑2𝑞 𝑑𝑡2 = −𝜔2𝑄𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + ∅) Então −𝐿𝜔2𝑄𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + ∅) + 1 𝐶 𝑄𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + ∅) = 0 e 𝜔 = 1 √𝐿𝐶 A energia eléctrica armazenada no circuito LC é dada por: 𝑈𝐸 = 𝑞2 2𝐶 = 𝑄2 2𝐶 cos2(𝜔𝑡 + ∅) A energia magnética armazenada no circuito é dada por: 𝑈𝐵 = 1 2 𝐿𝑖2 = 1 2 𝐿𝜔2𝑄2𝑠𝑒𝑛2(𝜔𝑡 + ∅) Como 𝜔 = 1 √𝐿𝐶 𝑈𝐵 = 𝑄2 2𝐶 𝑠𝑒𝑛2(𝜔𝑡 + ∅) 5. Oscilações Amortecidas num Circuito RLC Quando uma resistência R está presente em, um circuito LC, a energia eletromagnética total não é mais constante ela é transformada em energia térmica no resistor. A energia total é dada por: 𝑈 = 𝑈𝐵 + 𝑈𝐸 = 1 2 𝐿𝑖2 + 𝑞2 2𝐶 Como U não é mais constante, isto é, ela diminui com o tempo, numa taxa 𝑑𝑈 𝑑𝑡 = −𝑖2𝑅 Derivando a energia total 𝑑𝑈 𝑑𝑡 = 𝐿𝑖 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + 𝑞 𝐶 𝑑𝑞 𝑑𝑡 = −𝑖2𝑅 Como 𝑖 = 𝑑𝑞 𝑑𝑡 e 𝑑𝑖 𝑑𝑡 = 𝑑2𝑞 𝑑𝑡2 Então 𝐿 𝑑2𝑞 𝑑𝑡2 + 𝑅 𝑑𝑞 𝑑𝑡 + 1 𝐶 𝑞 = 0 Equação diferencial que descreve as oscilações amortecidas, no domínio do tempo. Fazendo 𝑅 = 0Ω, temos a equação diferencial do circuito LC não amortecido. A solução geral da equação diferencial, do circuito RLC amortecido 9 𝑞 = 𝑄 𝑒− 𝑅𝑡 2𝐿cos (𝜔′𝑡 + ∅) Na qual 𝜔′ = √𝜔2 − ( 𝑅 2𝐿 ) e 𝜔 = 1 √𝐿𝐶 A equação q=q(t), acima, é idêntica à equação para o deslocamento em função do tempo num movimento harmônico simples (MHS) amortecido. 𝑋(𝑡) = 𝑋𝑚𝑒 − 𝑏𝑡 2𝑚cos (𝜔𝑎𝑡 + ∅) Na qual 𝜔𝑎 = √ 𝑘 𝑚 − 𝑏2 4𝑚2 e 𝜔 = √ 𝑘 𝑚 para 𝑏 = 0 6. Oscilações forçadas no circuito RLC As oscilações de um circuito RLC não serão totalmente amortecidas se um dispositivo de fem externo fornecer energia suficiente para compensar a energia térmica dissipada no resistor. Normalmente este dispositivo é um gerador de corrente alternada com fem do tipo: 𝜀 = 𝜀𝑚𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡), Onde ω é a chamada frequência angular propulsora. Quando uma fem como esta é ligada a um circuito RLC, dizemos que as oscilações da carga, da tensão e da corrente são oscilações forçadas. Veremos que, qualquer que seja a frequência angular natural ω0 de um circuito, estas oscilações ocorrem sempre na frequência angular propulsora. 10 Para um resistor ligado ao gerador de fem alternada temos: 𝜀 = 𝑣𝑅 = 𝜀𝑚𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) = 𝑉𝑅𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) Corrente 𝑖𝑅 no resistor 𝑖𝑅 = 𝑣𝑅 𝑅 = 𝑉𝑅 𝑅 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝜑) Então temos 𝐼𝑅 = 𝑉𝑅 𝑅 e 𝜑 = 0 Portanto, a corrente e a tensão (ddp) estão em fase no resistor. A relação entre as amplitudes da corrente e da tensão no resistor é: 𝑉𝑅 = 𝐼𝑅𝑅 Para um capacitor ligado ao gerador de fem alternada, temos: 𝑣𝑐 = 𝜀𝑚𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) = 𝑉𝑐𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) Mas 𝑞𝑐 = 𝐶𝑣𝑐 = 𝐶𝑣𝑐𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) e como 𝑖𝑐 = 𝑑𝑞𝑐 𝑑𝑡 → 𝑖𝑐 = 𝜔𝐶𝑉𝑐 cos(𝜔𝑡) = 𝜔𝐶𝑉𝑐𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑡 + 𝜋 2 ) Introduzindo a reactância capacitiva 𝑋𝑐 = 1 𝜔𝐶 Fica 𝑖𝑐 = 𝑉𝑐 𝑋𝑐 𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑡 + 𝜋 2 ) = 𝐼𝑐𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑡 + 𝜋 2 ) Então 𝜑 = − 𝜋 2 e as amplitudes da tensão e da corrente estão relacionadas por: 𝑉𝑐 = 𝐼𝑐𝑋𝑐 Para um indutor ligado ao gerador de fem alternada, temos: 𝑣𝐿 = 𝜀𝑚𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) = 𝑉𝐿𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) = 𝐿 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 ou 𝑑𝑖𝐿 = 𝑉𝐿 𝐿 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)𝑑𝑡 𝑖𝐿 = 𝑉𝐿 𝐿 ∫ 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)𝑑𝑡 = − 𝑉𝐿 𝜔𝐿 cos (𝜔𝑡) Introduzindo a reactância indutiva 𝑋𝐿 = 𝜔𝐿: 𝑖𝐿 = 𝑉𝐿 𝑋𝐿 𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑡 − 𝜋 2 ) Então 𝜑 = 𝜋 2 e as amplitudes da tensão e da corrente estão relacionadas por: 𝑉𝐿 = 𝐼𝐿𝑋𝐿 11 7. Circuito RLC série A fem aplicada é: 𝜀 = 𝜀𝑚𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡). A corrente transiente é nula, a corrente permanente é dada por: 𝑖(𝑡) = 𝐼𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝜑). A corrente 𝑖 tem o mesmo valor em todos os elementos e é representada por um único fasor (vector girante) no diagrama. Para qualquer t: 𝜀 = 𝑣𝑅 + 𝑣𝐿 + 𝑣𝐶 Segue que 𝜀𝑚 = �⃗⃗�𝑅 + �⃗⃗�𝐿 + �⃗⃗�𝐶 do diagrama, supondo que 𝑉𝐿 > 𝑉𝐶 𝜀𝑚 2 = 𝑉𝑅 2 + (𝑉𝐿 − 𝑉𝐶) 2 Ou 𝜀𝑚 2 = (𝐼𝑅)2 + (𝐼𝑋𝐿 − 𝐼𝑋𝐶) 2 Daí achamos o valor de 𝐼: 𝐼 = 𝜀𝑚 √𝑅2 + (𝜔𝐿 − 1 𝜔𝐶) 2 = 𝜀𝑚 𝑍 Onde Z=√𝑅2 + (𝜔𝐿 − 1 𝜔𝐶 ) 2 É a impedância do circuito para a frequência de excitação. Também a constante de fase 𝜑 pode ser encontrada ser encontrada do diagrama dos fasores: 𝑡𝑔𝜑 = 𝑉𝐿 − 𝑉𝐶 𝑉𝑅 = 𝑋𝐿 − 𝑋𝐶 𝑅 = 𝜔𝐿 − 1 𝜔𝐶 𝑅 7.1. Potencia média fornecida a um circuito Potência média necessária para manter a corrente num circuito é dada por 𝑃𝑚𝑒𝑑 = 1 2 𝑉0𝐼0𝑐𝑜𝑠𝛼 = 1 2 𝑅𝐼0 2. Quando a potência média é máxima, regista-se a ressonância. Este facto verifica-se quando 𝛼 = 0, e Ω𝐿 = 1 Ω𝐶 , numa altura em que a frequência é igual a frequência natural 𝜔0. Em ressonância, a corrente atinge o valor máximo de amplitude e está em fase com a fem aplicada, produzindo deste modo a potência média máxima. Como o indutor e capacitor não dissipam energia, a potencia média fornecida a um circuito RLC em série é igual a potencia média fornecida ao resistor. A potência instantânea é dada pela expressão: 12 𝑃 = 𝑅𝐼𝑚𝑎𝑥 2 . cos2(𝜔𝑡 − 𝛿) O gráfico da potência média em função da frequência para um circuito RLC é: 𝑄 = 𝜔𝜏; 𝜏 = 𝑚 𝑏 Então o factor de qualidade será 𝑄 = 𝜔0 𝐿 𝑅 Quando a curva de ressonância é muito estreita (Q>2) então: 𝑄 = 𝜔0 Δ𝜔 = 𝑓0 Δ𝑓 Potência instantânea: 𝑃 = 𝜀𝑖 = 𝜀𝑚𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)𝐼𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝜑) = 𝜀𝑚𝐼𝑠𝑒𝑛 2(𝜔𝑡)𝑐𝑜𝑠𝜑 − 𝜀𝑚𝐼𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) cos(𝜔𝑡) 𝑠𝑒𝑛𝜑. Potência media num ciclo de período T. 𝑃𝑚𝑒𝑑 = 𝜀𝑚𝐼𝑐𝑜𝑠𝜑 1 𝑇 ∫ 𝑠𝑒𝑛2(𝜔𝑡)𝑑𝑡 = 1 2 𝜀𝑚𝐼𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑇 0 Potência dissipada somente no resistor Potência instantânea: 𝑃 = 𝑖2𝑅 = 𝐼2𝑅𝑠𝑒𝑛2(𝜔𝑡 − 𝜑) Potência média num ciclo de período T: 𝑃𝑚𝑒𝑑 = 𝜀𝑟𝑚𝑠𝐼𝑟𝑚𝑠𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝜀𝑟𝑚𝑠𝐼𝑟𝑚𝑠 𝑅 𝑍 = 𝑅𝐼𝑟𝑚𝑠 2 Pois cos 𝜑 = 𝑅 𝑍 Factor de potência (𝑐𝑜𝑠𝜑): 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 1: circuito resistivo (transferência máxima de potencia →ressonância) cos 𝜑 = 0: circuito indutivo ou capacitivo (não há transferência de potência) 13 8. Aplicação da ressonância nos circuitos eléctricos i. Ao sintonizar variamos a capacitância, na tentativa de igualar a frequência; ii. Os circuitos RLC são usados em receptores da rádio, nos quais se faz variar a frequência da ressonância, ajustando o valor da capacitaria; iii. A ressonância ocorre quando a frequência natural do circuito é igual a frequência usada por uma das estacões da radio que o aparelho foi projectado para captar; iv. Na ressonância existe uma corrente relativamente elevada no circuito da antena. Se o factor Q do circuito é suficientemente alto, as correntes produzidas pelas frequências das outras estações fora da ressonância são menores. 14 9. Conclusão Contudo pude ver que, apesar de o indutor e o condensador, ao longo do período de oscilação, não extraírem ou fornecerem potência ao circuito, já instantaneamente a situação é diferente. Com efeito, o desfasamento de 𝜋 2 existente entre a tensão e a corrente conduz a que durante metade do ciclo de oscilação a potência instantânea (produtoda tensão pela corrente) seja positiva enquanto na outra metade ela é negativa. Quer isto dizer que durante metade do ciclo de oscilação cada um destes elementos absorve potência do circuito e durante a outra metade fornece essa mesma potência ao circuito, resultando no final um balanço nulo. Para além disto é interessante notar que o facto de as tensões no condensador e no indutor ideais se encontrarem permanentemente em oposição de fase significa que enquanto um dos elementos se encontra a absorver potência do circuito o outro se encontra a fornecer (embora em geral uma quantidade diferente). Conclui-se, portanto, que durante cada ciclo de oscilação existe uma certa transferência de potência (e energia) nos dois sentidos entre o indutor e o condensador. 15 10. Bibliografia C. Kittel [et al]- Curso de Física de Berkeley : Mecânica, Vol 1, Edgard Bluecher. H. J. Pain, The physics of Vibrations and Waves, Ed. Wiley. R. Resnick e D. Halliday - Física, 4ª ed, Livros Técnicos e Científicos Editora P.A. Tipler e G. Mosca - Física, Vol I, 5ª ed, Livros técnicos e Científicos Editora, S.A, Rio de Janeiro, 2006
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