Enunciado

Refaça o Problema 14.25 para o caso no qual os elementos estejam ligados em paralelo.

Problema 14.25

14.25 Um circuito R L C em série tem R   =   2   k Ω , L   =   40   m H e C   =   1   µ F . Calcule a impedância na ressonância para frequências de um quarto, a metade, o dobro e de quatro vezes a frequência de ressonância.

Passo 1

Essa é uma questão desafiadora, o maior trabalho está no desenvolvimento matemático, mas juntos vamos resolver =).

Primeiro vamos analisar o circuito R L C com os elementos em paralelo como a questão pede:

Você já deve saber, que estamos analisando um circuito com corrente alternada, por isso, vamos converte-lo com técnicas matemáticas, para que ele se “pareça com um circuito continuo”, que são muito mais simples de calcular. Aplicamos o fator j ω para isso. O circuito ficará assim:

Veja que até desenhamos os componentes de outra maneira, para te passar a ideia de que agora podemos tratar esse circuito como um circuito contínuo. Tanto R ,   L   e   C , são vistos como impedâncias agora. Vamos chamá-los   Z 1 ,   Z 2   e   Z 3 e então fazer o paralelo dos componentes para achar uma impedância Z   em cada caso na ressonância como pede a questão.

Passo 2

Vamos ver como podemos calcular a impedância Z .

A fórmula de impedância Z em paralelo é:

1 Z = 1 Z 1 + 1 Z 2 + 1 Z 3

Substituindo os termos:

1 Z = 1 R + 1 j ω L + 1 1 j ω C

Simplificando:

1 Z = 1 R + 1 j ω L + 1 1 ⋅ j ω C 1

1 Z = 1 R + 1 j ω L + j ω C

A unidade imaginaria j , possui uma identidade especial que diz que:

1 j   =   - j  

Então vamos com isso pôr o j em evidência e continuar simplificando, observe como:

1 Z = 1 R + 1 j ⋅ 1 ω L + j ω C

1 Z = 1 R + - j ⋅ 1 ω L + j ω C

1 Z = 1 R     + j - 1 ω L   + j ω C

1 Z = 1 R       + j - 1 ω L + ω C

1 Z = 1 R       + j ω C   - 1 ω L

Agora vamos Isolar Z :

1 = Z ⋅   1 R       + j ω C   - 1 ω L  

Finalmente:

Z = 1   1 R       + j ω C   - 1 ω L  

No fundo o que estamos fazendo é achar a admitância Y , que é aparte debaixo da fórmula entre colchetes , e pelo inverso acharemos a impedância Z . Estamos trabalhando com números complexos, então é importante o uso de uma calculadora científica!

Passo 3

Agora que temos uma expressão para achar Z . vamos determinar a frequência de ressonância ω 0 , que funciona como uma espécie de barema, usaremos a fórmula geral de um R L C em paralelo :

Q = R ω 0 L = ω 0 C R = ω 0 B

Agora usaremos a igualdade do meio:

R ω 0 L = ω 0 C R

R L = ω 0 ω 0 C R

R L   C R = ω 0 2

1 L   C = ω 0 2

1 L   C = ω 0

Substituindo os valores:

ω 0 =   1 40 ⋅ 10 - 3 ⋅   1 ⋅ 10 - 6

ω 0 =   5000 r a d s

Passo 4

Agora que temos a expressão de Z e o valor da frequência de ressonância ω 0 acharemos a impedância em cada caso solicitado na questão, substituindo os valores:

um quarto de ω 0

Z 1 4 ω 0 = 1   1 R       + j ω C   - 1 ω L  

Z 1 4 ω 0 = 1   1 R       + j ω 0 4 C   - 1 ω 0 4 L  

Z 1 4 ω 0 = 1   1 2 ⋅ 10 3       + j 5000 4 ⋅ 1 ⋅ 10 - 6   - 1 5000 4 ⋅ 40 ⋅ 10 - 3  

Z 1 4 ω 0 = 1   0.0005   - j 0.01875

Z 1 4 ω 0 = 1.4212 +   j 53.3       Ω  

A metade de ω 0

Z 1 2 ω 0 = 1   1 R       + j ω C   - 1 ω L  

Z 1 2 ω 0 = 1   1 R       + j ω 0 2 C   - 1 ω 0 2 L  

Z 1 2 ω 0 = 1   1 2 ⋅ 10 3       + j 5000 2 ⋅ 1 ⋅ 10 - 6   - 1 5000 2 ⋅ 40 ⋅ 10 - 3  

Z 1 2 ω 0 = 1   0.0005   - j 0.0075

Z 1 2 ω 0 =   8.85 + j 132.74     Ω

O dobro de ω 0

Z 2 ω 0 = 1   1 R       + j ω C   - 1 ω L  

Z 2 ω 0 = 1   1 R       + j 2 ⋅ ω 0 C   - 1 2 ⋅ ω 0 L  

Z 2 ω 0 = 1   1 2 ⋅ 10 3       + j 2 ⋅ 5000 ⋅ 1 ⋅ 10 - 6   - 1 2 ⋅ 5000 ⋅   40 ⋅ 10 - 3  

Z 2 ω 0 = 1   0.0005 + j 0.0075

Z 2 ω 0 =   8.85 -   j 132.74       Ω

Quatro vezes de ω 0

Z 4 ω 0 = 1   1 R       + j ω C   - 1 ω L  

Z 4 ω 0 = 1   1 R       + j 4 ⋅ ω 0 C   - 1 4 ⋅ ω 0 L  

Z 4 ω 0 = 1   1 2 ⋅ 10 3       + j 4 ⋅ 5000 ⋅ 1 ⋅ 10 - 6   - 1 4 ⋅ 5000 ⋅   40 ⋅ 10 - 3  

Z 4 ω 0 = 1   0.0005 + j 0.01875

Z 4 ω 0 =   1.4212 - j 53.3       Ω

Resposta

Um quarto de ω 0 ⇒     Z 1 4 ω 0 = 1.4212 +   j 53.3       Ω

A metade de ω 0   ⇒ Z 1 2 ω 0 =   8.85 + j 132.74     Ω

O dobro de ω 0 : ⇒ Z 2 ω 0 =   8.85 -   j 132.74       Ω

Quatro vezes de ω 0 ⇒ Z 4 ω 0 =   1.4212 - j 53.3       Ω

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