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INSTITUTO FEDERAL DE ALAGOAS - IFAL CAMPUS PALMEIRA DOS ÍNDIOS - AL CURSO BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA CIRCUITOS ELÉTRICOS l Prof. Dr. Leonaldo José Lyra do Nascimento Período: 2020.1 AS LEIS DE KIRCHHOFF AS LEIS DE KIRCHHOFF As Leis de Kirchhoff foram criadas e desenvolvidas pelo físico alemão Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887). Existem essencialmente duas Leis que Kirchhoff determinou: A Lei de Kirchhoff para Circuitos Elétricos e a Lei de Kirchhoff para Espectroscopia. A primeira foi criada para resolver problemas de circuitos elétricos mais complexos.[1] Tais problemas podem ser encontrados em circuitos com mais de uma fonte de resistores estando tanto em série quanto paralelo. Para criar a Lei, Kirchhoff introduziu o conceito de nó (ou junção) e malha, o que é extremamente importante para o entendimentos das Leis. Mais tecnicamente, a espectroscopia analisa a interação entre qualquer matéria e radiação. ... É usada para analisar compostos em química, para determinar quais elementos diferentes compõem algo, e também é usado em astronomia para obter percepções sobre a composição e velocidades de corpos astronômicos. Introdução https://pt.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9trico https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuitos_el%C3%A9tricos https://pt.wikipedia.org/wiki/Leis_de_Kirchhoff#cite_note-1 https://pt.wikipedia.org/wiki/Resistor https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_em_s%C3%A9rie https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_paralelo https://pt.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff AS LEIS DE KIRCHHOFF Introdução às leis de Kirchhoff. Exemplo: Nó: É um ponto do circuito onde se conectam no mínimo três elementos. 𝑹𝟓 𝑹𝟒 𝑹𝟑 𝑹𝟐𝑹𝟏 𝑭 𝑬 𝑫𝑪 𝑩 𝑨 + − + − 𝑽𝟏 𝑽𝟐 Alguns conceitos básicos: Nó C Nó F Não AS LEIS DE KIRCHHOFF Ramo: É um trecho de um circuito compreendido entre dois nós consecutivos. 𝑹𝟓 𝑹𝟒 𝑹𝟑 𝑹𝟐𝑹𝟏 𝑭 𝑬 𝑫𝑪 𝑩 𝑨 + − + − 𝑽𝟏 𝑽𝟐 Exemplo: Ramo 3 Ramo 1 Ramo 2 AS LEIS DE KIRCHHOFF Malha: É um trecho de um circuito que forma uma trajetória eletricamente fechada. 𝑹𝟓 𝑹𝟒 𝑹𝟑 𝑹𝟐𝑹𝟏 𝑭 𝑬 𝑫𝑪 𝑩 𝑨 + − + − 𝑽𝟏 𝑽𝟐 Exemplo: 𝑹𝟓 𝑹𝟒 𝑹𝟑 𝑹𝟐𝑹𝟏 𝑭 𝑬 𝑫𝑪 𝑩 𝑨 + − + − 𝑽𝟏 𝑽𝟐 Malha 1 Malha 2 AS LEIS DE KIRCHHOFF Malha: É um trecho de um circuito que forma uma trajetória eletricamente fechada. 𝑹𝟓 𝑹𝟒 𝑹𝟑 𝑹𝟐𝑹𝟏 𝑭 𝑬 𝑫𝑪 𝑩 𝑨 + − + − 𝑽𝟏 𝑽𝟐 Exemplo: Malha 3 AS LEIS DE KIRCHHOFF PRIMEIRA LEI DE KIRCHHOFF - LKC A soma algébrica das correntes em um nó é sempre igual a zero. Ou, 𝒋=𝟏 𝒏 𝑰𝒋 = 𝟎 Observação: Por convenção, considera-se as correntes que entram em um nó como POSITIVAS e as que saem como NEGATIVAS. Eq. 1 AS LEIS DE KIRCHHOFF PRIMEIRA LEI DE KIRCHHOFF - LKC A soma das correntes que chegam em um nó é sempre igual à soma das correntes que saem deste nó. Ou, 𝒋=𝟏 𝒏 𝑰𝒋𝑪𝒉𝒆𝒈𝒂𝒎 = 𝒌=𝟏 𝒎 𝑰𝒌𝑺𝒂𝒆𝒎 Eq. 2 AS LEIS DE KIRCHHOFF PRIMEIRA LEI DE KIRCHHOFF - LKC 𝑰𝟑 𝑰𝟐 𝑰𝟏 + − +− +− + − 𝑨 𝑩 𝟒 𝜴 1 𝜴 𝟔 𝜴 𝟑 𝐕 𝟐 𝐕 𝟏𝟎 𝐕 𝟓 𝐕 3 𝜴 Exemplo: LKC no nó A: 𝐼1 − 𝐼2 + 𝐼3 = 0 LKC no nó B: −𝐼1 + 𝐼2 − 𝐼3 = 0 𝑗=1 3 𝐼𝑗 = 0 𝑘=1 3 𝐼𝑘 = 0 AS LEIS DE KIRCHHOFF PRIMEIRA LEI DE KIRCHHOFF - LKC Observação: O número de equações independentes que se pode obter com a aplicação da lei das correntes de Kirchhoff em um circuito elétrico é igual ao número de nós menos um. 𝑵𝒆𝒊 = 𝒏 − 𝟏 Eq. 3 Onde: 𝑁𝑒𝑖 = Número de equações independentes obtidas com a aplicação da lei das correntes, e 𝑛 = Número de nós do circuito. AS LEIS DE KIRCHHOFF SEGUNDA LEI DE KIRCHHOFF - LKT A soma algébrica das tensões (f.e.m.s. e quedas de tensão) ao longo de uma malha elétrica é igual a zero. Ou, Eq. 4 𝒋=𝟏 𝒏 𝑽𝒋 = 𝟎 AS LEIS DE KIRCHHOFF SEGUNDA LEI DE KIRCHHOFF - LKT − − − − + + + + 𝑰𝟑 𝑰𝟐 𝑰𝟏 + − +− +− + − 𝑨 𝑩 3 𝜴 3 𝜴 1 𝜴 𝟒 𝐕 𝟑 𝐕 6 𝐕 𝟓 𝐕 2 𝜴 Exemplo: LKT na malha 1: 𝑗=1 5 𝑉𝑗 = 0 LKT na malha 2: 𝑘=1 5 𝑉𝑘 = 0 LKT na malha 3: 𝑚=1 6 𝑉𝑚 = 0 −6 − 1. 𝐼1 − 5 − 3. 𝐼2 − 3. 𝐼1 = 0 +3. 𝐼2 + 5 + 4 + 2. 𝐼3 − 3 = 0 −6− 1. 𝐼1 + 4 + 2. 𝐼3 − 3 − 3. 𝐼1 = 0 AS LEIS DE KIRCHHOFF SEGUNDA LEI DE KIRCHHOFF - LKT Observação: O número de equações fornecida pela lei de Kirchhoff: 𝑵𝒆 = 𝒓 − 𝒏 + 𝟏 Eq. 5 Onde: 𝑁𝑒 = Número de equações fornecida pela de Kirchhoff; 𝑟 = Número de ramos nós do circuito elétrico, e 𝑛 = Número de nós do circuito elétrico. AS LEIS DE KIRCHHOFF Exemplo: Determine o número de ramos e de nós nos circuitos elétricos abaixo. 𝟏𝟐 𝐕 10 𝐕 1 𝜴 6 𝐕 2 𝜴 5 𝜴 4 𝜴2 𝜴 3 𝜴 + − + − + − + − 5 𝜴 6 𝜴 𝟑 𝜴 8 𝜴 7 𝜴 𝟐 𝜴 10 𝐕 𝟐 𝜴 1 𝜴 (A) (B) AS LEIS DE KIRCHHOFF Exemplo: Determine o número de ramos e de nós nos circuitos elétricos abaixo. 𝟏𝟐 𝐕 10 𝐕 1 𝜴 6 𝐕 2 𝜴 5 𝜴 4 𝜴2 𝜴 3 𝜴 + − + − + − (A) Solução: 𝑛 =2 𝑟 = 3 Nó 1 Nó 2 Ramo 2 Ramo 1 Ramo 3 1): 𝑵𝒆𝒄 = 𝒏 − 𝟏 = 𝟐 − 𝟏 𝑵𝒆𝒄= 𝟏 2): 𝑵𝒆𝒕 = 𝒓 − 𝒏 + 𝟏 = 𝟑 − 𝟐 + 𝟏 𝑵𝒆𝒕 = 𝟐 AS LEIS DE KIRCHHOFF Conclusão: Determine o número de ramos e de nós nos circuitos elétricos abaixo. 𝟏𝟐 𝐕 10 𝐕 1 𝜴 6 𝐕 2 𝜴 5 𝜴 4 𝜴2 𝜴 3 𝜴 + − + − + − 𝑵𝒆𝒄= 𝟏 𝑵𝒆𝒕 = 𝟐 Preciso de : UMA equação para a corrente e DUAS equações para a tensão. e Nó 1 Malha 2 Malha 1 AS LEIS DE KIRCHHOFF Exemplo: Determine o número de ramos e de nós nos circuitos elétricos abaixo. + − 5 𝜴 6 𝜴 𝟑 𝜴 8 𝜴 7 𝜴 𝟐 𝜴 10 𝐕 𝟐 𝜴 1 𝜴 (B) Solução: 𝑛 = 4 𝑟 = 6 Nó 1 Ramo 1 1): 𝑵𝒆𝒄 = 𝒏 − 𝟏 = 𝟒 − 𝟏 𝑵𝒆𝒄= 𝟑 2): 𝑵𝒆𝒕 = 𝒓 − 𝒏 + 𝟏 = 𝟔 − 𝟒 + 𝟏 𝑵𝒆𝒕 = 𝟑 Nó 2 Nó 3 Nó 4 Ramo 2 Ramo 3 Ramo 5 Ramo 6 Ramo 4 AS LEIS DE KIRCHHOFF Exemplo: Determine o número de ramos e de nós nos circuitos elétricos abaixo. + − 5 𝜴 6 𝜴 𝟑 𝜴 8 𝜴 7 𝜴 𝟐 𝜴 10 𝐕 𝟐 𝜴 1 𝜴 Conclusão: 𝑵𝒆𝒄= 𝟑 𝑵𝒆𝒕 = 𝟑 Preciso de : TRÊS equações para a corrente e TRÊS equações para a tensão. e Nó 1 Nó 2 Nó 3 Malha 1 Malha 2 Malha 3 AS LEIS DE KIRCHHOFF Procedimento para aplicação das leis de Kirchhoff 1) Identificar os nós, ramos e malhas do circuito elétrico; 2) Atribuir para cada ramo do circuito um sentido para a corrente elétrica; 3) Polarizar as fontes de tensão; 4) Polarizar as quedas de tensão nos resistores de acordo com o sentido adotado para a corrente; 5) Havendo nós, aplicar a primeira dei de Kirchhoff, obtendo-se ;𝑵𝒆𝒄 = 𝒏 − 𝟏 AS LEIS DE KIRCHHOFF Procedimento para aplicação das leis de Kirchhoff 6) Se o número de equações ainda não for suficiente para resolver o circuito, aplicar a segunda lei de Kirchhoff, onde o número de equações é dado por ;𝑵𝒆𝒕 = 𝒓 − 𝒏 + 𝟏 7) Escolher um ponto de partida e adotar um sentido de percurso para analisar a(s) malha(s); AS LEIS DE KIRCHHOFF Exemplo 01: Calcule os valores de 𝑰𝟏, 𝑰𝟐 e 𝑰𝟑 a partir dos valores das f.e.m.s. e das resistências elétricas usando obrigatoriamente as leis de Kirchhoff. + − +− 4 𝜴 𝟏𝟐 𝐕 36 𝐕 3,3 𝜴 2,7 𝜴 AS LEIS DE KIRCHHOFF Solução: + − +− 4 𝜴 𝟏𝟐 𝐕 36 𝐕 3,3 𝜴 2,7 𝜴 Observando o circuito elétrico abaixo, temos: 2 nós, 3 ramos e 3 malhas fechadas. Nó 1 Malha 1 Nó 2 Malha 2 Malha 3 Ramo 2 Ramo 1 Ramo 3 Logo: 1): 𝑵𝒆𝒄 = 𝒏 − 𝟏 = 𝟐 − 𝟏 𝑵𝒆𝒄= 𝟏 2): 𝑵𝒆𝒕 = 𝒓 − 𝒏 + 𝟏 = 𝟑 − 𝟐 + 𝟏 𝑵𝒆𝒕 = 𝟐 AS LEIS DE KIRCHHOFF Aplicando a lei das correntes de Kirchhoff no ponto A, temos: Escolhendo as correntes, nó e malhas no circuito abaixo, tem-se: + − +− 4 𝜴 𝟏𝟐 𝐕 36 𝐕 3,3 𝜴 2,7 𝜴 𝑴𝟏 𝑴𝟐𝑰𝟏 𝑰𝟐𝑰𝟑 − − − + ++ + − +− 4 𝜴 𝟏𝟐 𝐕 36 𝐕3,3 𝜴 2,7 𝜴 A 𝑗=1 3 𝐼𝑗 = 0 → 𝐼3 − 𝐼1 − 𝐼2 = 0 → Eq. 1a𝑰𝟑 = 𝑰𝟏 + 𝑰𝟐 AS LEIS DE KIRCHHOFF Aplicando a segunda lei de Kirchhoff na malha 𝑴𝟏, temos: 𝑴𝟏 𝑴𝟐𝑰𝟏 𝑰𝟐𝑰𝟑 − − − + ++ + − +− 4 𝜴 𝟏𝟐 𝐕 36 𝐕 3,3 𝜴 2,7 𝜴 A 36 − 4. 𝐼1 − 12 = 0 Eq. 1b Aplicando a segunda lei de Kirchhoff na malha 𝑴𝟐, temos: 4. 𝐼1 − 3,3. 𝐼2 − 2,7. 𝐼2 = 0 → Eq. 1c4. 𝐼1 − 6. 𝐼2 = 0 24 − 4. 𝐼1 = 0 AS LEIS DE KIRCHHOFF Formando um sistema de equações com Eq. 1a, Eq. 1b e Eq. 1c, temos: 𝑰𝟑 = 𝑰𝟏 + 𝑰𝟐 𝟒. 𝑰𝟏 − 𝟔. 𝑰𝟐 = 𝟎 𝟐𝟒 − 𝟒. 𝑰𝟏 = 𝟎 𝐼1 + 𝐼2 − 𝐼3 = 0 4. 𝐼1 + 0. 𝐼2 + 0. 𝐼3 = 24 4. 𝐼1 − 6. 𝐼2 + 0. 𝐼3 = 0 Eq. 1d Eq. 1e Eq. 1f Da Eq. 1e, tem-se: 4. 𝐼1 = 24 → 𝐼1 = 24 4 → Eq. 1g𝐼1 = 6 𝐴 AS LEIS DE KIRCHHOFF Substituindo a Eq. 1g na Eq. 1f, temos: 4𝑥6 − 6. 𝐼2 = 0 → 6. 𝐼2 = 24 → 𝐼2 = 24 6 → 𝐼2 = 4 𝐴 Eq. 1h Substituindo a Eq. 1g e a Eq. 1f na Eq. 1d, temos: 𝐼1 + 𝐼2 − 𝐼3 = 0 6 + 4 − 𝐼3 = 0 → → 𝐼3 = 10 𝐴 Eq. 1i Conclusão: Como os valores das correntes calculadas foram todas POSITIVAS, então seus sentidos foram arbitrados corretamente. Logo, a resposta é: 𝑰𝟏 = 𝟔 𝑨 𝑰𝟐 = 𝟒 𝑨 𝑰𝟑 = 𝟏𝟎 𝑨 AS LEIS DE KIRCHHOFF Exemplo 02: Determine a potência no resistor de 12 Ω no circuito elétrico abaixo. 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 AS LEIS DE KIRCHHOFF Solução: TÉCNICA Transformar as dependências das fontes em grandezas dependentes das incógnitas do circuito. 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 Fonte dependente! AS LEIS DE KIRCHHOFF Solução: Observando o circuito elétrico abaixo, temos: 2 nós, 3 ramos e 3 malhas fechadas. 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 Malha 1 Nó 2 Malha 2 Malha 3 Ramo 2 Ramo 1 Ramo 3 Logo: 1): 𝑵𝒆𝒄 = 𝒏 − 𝟏 = 𝟐 − 𝟏 𝑵𝒆𝒄= 𝟏 2): 𝑵𝒆𝒕 = 𝒓 − 𝒏 + 𝟏 = 𝟑 − 𝟐 + 𝟏 𝑵𝒆𝒕 = 𝟐 Nó 1 AS LEIS DE KIRCHHOFF Aplicando a lei das correntes de Kirchhoff no ponto B, temos: Escolhendo as correntes, nó e malhas no circuito abaixo, tem-se: 𝑗=1 3 𝐼𝑗 = 0 → 𝐼1 + 𝐼2 − 𝐼𝑋 = 0 → Eq. 2a𝑰𝑿 = 𝑰𝟏 + 𝑰𝟐 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 𝑰𝑿 𝑰𝟐𝑰𝟏 B 𝑴𝟐𝑴𝟏 AS LEIS DE KIRCHHOFF Aplicando a segunda lei de Kirchhoff na malha 𝑴𝟏, temos: 50 − 4. 𝐼1 − 𝑉𝑋 = 0 Eq. 2b Aplicando a segunda lei de Kirchhoff na malha 𝑴𝟐, temos: → Eq. 2c𝑉𝑋 + 12. 𝐼2 − 4. 𝑉𝑋 = 0 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 𝑰𝑿 𝑰𝟐𝑰𝟏 B 𝑴𝟐𝑴𝟏 50 − 4. 𝐼1 − 𝑉𝑋 = 0 12. 𝐼2 − 3. 𝑉𝑋 = 0 AS LEIS DE KIRCHHOFF Formando um sistema de equações com Eq. 2a, Eq. 2b e Eq. 2c, temos: 𝐼1 + 𝐼2 − 𝐼𝑋 = 0 4. 𝐼1 + 0. 𝐼2 + 𝑉𝑋 = 50 0. 𝐼1 + 12. 𝐼2 − 3. 𝑉𝑋 = 0 Eq. 2d Eq. 2e Eq. 2f Observe que as Eq. 2e e Eq. 2f, estão em função de 𝑉𝑋. Aplicando a TÉCNICA citada acima, tem-se: Eq. 2g 𝑰𝑿 = 𝑰𝟏 + 𝑰𝟐 𝟓𝟎 − 𝟒. 𝑰𝟏 − 𝑽𝑿 = 𝟎 𝟏𝟐. 𝑰𝟐 − 𝟑. 𝑽𝑿 = 𝟎 𝑉𝑋 = 6. 𝑉𝑋 AS LEIS DE KIRCHHOFF Substituindo a Eq. 2g nas Eq. 2f e Eq. , temos: 𝐼1 + 𝐼2 − 𝐼𝑋 = 0 4. 𝐼1 + 0. 𝐼2 + (6. 𝐼𝑋) = 50 0. 𝐼1 + 12. 𝐼2 − 3. (6. 𝐼𝑋) = 0 Eq. 2h 𝐼1 + 𝐼2 − 𝐼𝑋 = 0 4. 𝐼1 + 0. 𝐼2 + 6. 𝐼𝑋 = 50 0. 𝐼1 + 12. 𝐼2 − 18. 𝐼𝑋 ) = 0 Resolução de Eq. 2h por matrizes. AS LEIS DE KIRCHHOFF Cálculos de 𝑰𝟏, 𝑰𝟐 e 𝑰𝑿. Transformando a Eq. 2h em matrizes, temos: 𝐼1 + 𝐼2 − 𝐼𝑋 = 0 4. 𝐼1 + 0. 𝐼2 + 6. 𝐼𝑋 = 50 0. 𝐼1 + 12. 𝐼2 − 18. 𝐼𝑋 ) = 0 1 1 −1 4 0 6 0 12 −18 . 𝐼1 𝐼2 𝐼𝑋 = 0 50 0 Eq. 2i AS LEIS DE KIRCHHOFF Seja, 𝐷 = 1 1 −1 4 0 6 0 12 −18 . Eq. 2j Cálculo de det D. det 𝐷 = 1 1 −1 4 0 6 0 12 −18 1 1 4 0 0 12 = 0 + 0 − 48 − (0 + 72 − 72) = −48 Eq. 2ldet 𝐷 = −48 AS LEIS DE KIRCHHOFF Cálculo de det 𝐷𝐼1. det 𝐷𝐼1 = 0 1 −1 50 0 6 0 12 −18 0 1 50 0 0 12 = 0 + 0 − 600 − (0 + 0 − 900) = 300 Eq. 2mdet 𝐷𝐼1 = 300 Cálculo de det 𝐷𝐼2. det 𝐷𝐼2 = 1 0 −1 4 50 6 0 0 −18 1 0 4 50 0 0 = −900 + 0 + 0 − (0 = 0 + 0) = −900 Eq. 2ndet 𝐷𝐼2 = 300 AS LEIS DE KIRCHHOFF Cálculo de det 𝐷𝐼𝑋. det 𝐷𝐼𝑋 = 1 1 0 4 0 50 0 12 0 1 1 4 0 0 12 = 0 + 0 + 0 − (0 + 600 + 0) = −600 Eq. 2odet 𝐷𝐼𝑋 = −600 Cálculo de 𝐼1: 𝐼1 = 𝐷𝐼1 𝐷 = 300 −48 = −6,25 → 𝑰𝟏 = −𝟔,𝟐𝟓 𝑨 Eq. 2p. AS LEIS DE KIRCHHOFF Cálculo de 𝑰𝟐: 𝐼2 = det 𝐷𝐼2 det 𝐷 = −900 −48 = 18,75 𝐴 → 𝑰𝟐 = 𝟏𝟖, 𝟕𝟓 𝑨 Eq. 2q. Cálculo de 𝑰𝒙: 𝐼𝑋 = det 𝐷𝐼𝑋 det 𝐷 = −600 −48 = 12,50 𝐴 → 𝑰𝟐 = 𝟏𝟐, 𝟓𝟎 𝑨 Eq. 2r. AS LEIS DE KIRCHHOFF Cálculo de 𝑷𝟏𝟐 Ω: 𝑃12Ω = 12 Ω . 𝐼12Ω 2 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 𝑰𝑿 𝑰𝟐𝑰𝟏 B 𝑴𝟐𝑴𝟏 = 12 𝑥 18,752 = 4.218,75𝑊 𝑷𝟏𝟐𝜴 =4.218,75 W Eq. 2s. Finalmente, corrigindo o sentido de 𝐈𝟏(negativo) no circuito elétrico, temos: 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 𝑰𝑿 𝑰𝟐𝑰𝟏 B 𝑴𝟐𝑴𝟏 6 𝜴 + − − + + − 4 𝜴 4𝑽𝑿 50 𝐕 12 𝜴 𝑽𝑿 𝑰𝑿 𝑰𝟐𝑰𝟏 B 𝑴𝟐𝑴𝟏 Bibliografia: Livro texto: Apostilas da internet: Site da internet: Qualquer dúvida, entre em contato: leonaldo.lyra@ifal.com.br leonaldolyra@yahoo.com.br whatsapp e cel.: 083 99866 1301 F I M