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Aula 12: Oscilações Eletromagnéticas F-328: Física Geral III 2o semestre 2015 1 Oscilações eletromagnéticas (LC) F328 – 2S2015 ω Circuitos RC e RL: • q(t), i(t) e V(t): comportamento exponencial Circuito LC: • q(t), i(t) e V(t): comportamento senoidal • Oscilações • campo elétrico do capacitor • campo magnético do indutor Oscilações eletromagnéticas Vimos que: Veremos que: 2 energia totalmente elétrica energia totalmente elétrica Oscilações eletromagnéticas (LC) F328 – 2S2015 3 energia totalmente magnética energia totalmente magnética 3 http://www.walter-fendt.de/ph14br/osccirc_br.htm Simulação dos estágios Oscilações eletromagnéticas (LC) F328 – 2S2015 4 Osciladores harmônicos simples F328 – 2S2015 Circuito LC Sistema massa-mola cteUUU UU mvU kxU cp pc c p ==+ ⇔ = = 2 2 2 1 2 1Potencial: Cinética: (do bloco) (da mola) Total: cteUUU UU LiU C qU BE EB B E ==+ ⇔ = = 2 2 2 1 2 1Elétrica: Magnética: Total: (do indutor) (do capacitor) 5 No sistema massa-mola, em qualquer instante t, a energia total U é pc UUU += Se não houver atrito, U permanece constante, isto é: 0) 2 1 2 1( 22 =+= kxmv dt d dt dU 02 2 =+ x m k dt xd )cos( 0 ϕω += tXx msolução eq. diferencial: m k =0ω : Frequência angular natural Xm : Amplitude φ: Constante de fase Movimento oscilatório ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = dt dxv Analogia eletromecânica (massa-mola) F328 – 2S2015 6 C qLiUUU EB 2 2 2 1 2 1 +=+= Como não há resistência no circuito, temos: 0 22 22 =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ += C qLi dt d dt dU 012 2 =+ q LCdt qd ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = dt dqi )cos()( 0 ϕω += tQtqsolução eq. diferencial: LC 1 0=ω : Frequência angular natural Q : Amplitude φ: Constante de fase Oscilações eletromagnéticas Corrente: )(sen)(sen 000 ϕωϕωω +−=+−== tItQdt dqi Energia total oscilante : Analogia eletromecânica (oscilador LC) F328 – 2S2015 7 Correspondências entre os dois sistemas q↔ x 1 C ↔ k L↔m i↔ v A amplitude e a constante de fase são determinadas pelas condições iniciais [no circuito LC, i(0) e q(0)]. Circuito LC Sistema massa-mola Frequência angular: Amplitude: Constante de fase: LC 1 0 =ω Q φ m k =0ω Xm φ Analogia eletromecânica F328 – 2S2015 8 Questões Moodle 9 F328 – 2S2015 A energia elétrica armazenada no capacitor em qualquer instante t é )(sen 2 1 2 1 0 222 0 2 ϕωω +== tQLLiUB )(cos 22 0 2 22 ϕω +== t C Q C qUE enquanto a energia magnética armazenada no indutor é Energia total permanece constante. C QUU BE 2 2 =+ Energias elétrica e magnética F328 – 2S2015 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = LC 1 0ω)(sen2 0 2 2 ϕω += t C QUB 10 Questão Moodle 11 F328 – 2S2015 Com um resistor R no circuito, a energia eletromagnética total U do sistema não é mais constante, pois diminui com o tempo na medida em que é transformada em energia térmica no resistor . C qLiU 22 1 22 += 2Ri dt dU −= 2Ri dt dq C q dt diLi −=+ 012 2 =++ q LCdt dq L R dt qd ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = dt dqi )0( < dt dU Oscilações amortecidas (circuito RLC) F328 – 2S2015 Energia eletromagnética Potência dissipada 12 Oscilações amortecidas: amplitude de q(t) decai exponencialmente com o tempo. onde Solução geral para o caso de amortecimento fraco : )cos()( 2max ϕω +ʹ= − teQtq t L R 2 2 0 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−=ʹ L R ωω LC 1 0=≅ʹ ωω : ω’aproxima-se da frequência angular natural do sistema ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ < C LR 4 LCL R 1 2 2 <<⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛se Oscilações amortecidas (circuito RLC) F328 – 2S2015 13 Um circuito RLC série possui indutância L = 12 mH, capacitância C = 1,6 µF, e resistência R = 1,5 Ω. a) Determinar instante t tal que a amplitude das oscilações da carga no circuito será 1/2 do seu valor inicial? b) Quantas oscilações foram completadas neste intervalo de tempo? LC tntnT π2 =⇒= ( ) 13 10.6,110.122 011,0 2 1 63 ≅ × = −−π n Neste caso, como , . Ou seja: 0ωω ≅ʹ 2 0 2 2 ω<<⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ L R ou Queremos que: 5,0ln 2 5,0 max2max =−⇒= − L RtQeQ t L R st R Lt 011,05,0ln2 =⇒−= O tempo para uma oscilação completa é o período . ω π ʹ = 2T daí: Exemplo 1 F328 – 2S2015 14 Oscilações forçadas comportamento q(t), i(t) e V(t): • Frequência: Qualquer que seja ω0 (natural), essas grandezas oscilam com ω (frequência propulsora) • Corrente: Oscilações forçadas (RLC com fem) F328 – 2S2015 Amortecimento Fornecimento Oscilações eletromagnéticas ω ω0 ω’ 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. Gerador de tensão alternada (fem ac): )(sen tm ωεε = ω : frequência angular propulsora )(sen)( ϕω −= tIti 15 Circuito resistivo (R) F328 – 2S2015 Um resistor ligado ao gerador de fem alternada: )(sen)(sen tVtv RmR ωωεε === Corrente iR no resistor: )(sen tR V R vi RRR ω== Por associação com a forma geral da corrente ac: )(sen ϕω −= tIi RR 0=ϕ R VI RR = RIV RR = • Corrente e tensão (ddp) estão em fase no resistor: • Relação entre as amplitudes da corrente e da tensão no resistor: 16 )(sen)(sen tVtv CmC ωωε == )(sen tVCvCq CCC ω== ) 2 (sen)(cos πωωωω +== tCVtCVi CCC Introduzindo a reatância capacitiva: C XC ω 1 = ) 2 (sen πω += t X Vi C C C CCC XIV = Carga: Circuito capacitivo (C) F328 – 2S2015 Tensão: 2 π ϕ −= • Corrente está adiantada de em relação à tensão: • Relação entre as amplitudes da corrente e da tensão no capacitor: 2 π Corrente: 17 )cos()(sen t L Vdtt L Vi LLL ωω ω∫ −== iL = VL XL sen(ω t − π 2 ) dt diLtVtv LLmL === )(sen)(sen ωωε Circuito indutivo (L) F328 – 2S2015 LLL XIV = 2 π ϕ = • Corrente está atrasada de em relação à tensão: • Relação entre as amplitudes da corrente e da tensão no capacitor: 2 π Introduzindo a reatância indutiva: LXL ω= Tensão: Corrente: 18 Questão Moodle 19 F328 – 2S2015 http://www.walter-fendt.de/ph14br/accircuit_br.htm Simulações dos três circuitos simples F328 – 2S2015 20 Os exercícios pares do Livro texto capítulo Oscilações eletromagnéticas: Consultar: https://www.ggte.unicamp.br/moodle/login/index.php Lista de exercícios do capítulo 31 Aulas gravadas: http://lampiao.ic.unicamp.br/weblectures (Prof. Roversi) ou UnivespTV e Youtube (Prof. Luiz Marco Brescansin) • Informações complementares F328 – 2S2015 21
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