Demonstre matematicamente a expressão da resposta completa de um circuito RC e depois de um circuito RL.
Passo 1
Beleza, vamos lá! Você pediu para a gente demonstrar matematicamente a expressão da resposta completa de dois tipos de circuitos: o RC (resistor e capacitor) e o RL (resistor e indutor). Isso envolve conhecimentos de circuitos elétricos e equações diferenciais. Vamos precisar entender como esses componentes se comportam e como formar as equações que descrevem o circuito.
Passo 2
Primeiro, vamos começar com o circuito RC. Um circuito RC básico tem um resistor ® e um capacitor © ligados em série com uma fonte de tensão. Quando a tensão é aplicada, o capacitor começa a carregar através do resistor.
A lei de Kirchhoff das tensões nos diz que a soma das quedas de tensão no resistor e no capacitor é igual à tensão da fonte:
Sabemos que a tensão no resistor é dada por
e no capacitor por
. Também sabemos que a corrente
é a derivada da carga
em relação ao tempo:
Passo 3
Vamos substituir essas expressões na equação de Kirchhoff:
Essa é uma equação diferencial linear que descreve o comportamento do circuito RC. Para resolver, vamos supor que a tensão aplicada seja uma fonte de degrau
para
.
Passo 4
A equação fica:
Vamos reorganizar para facilitar a resolução:
Essa é uma equação diferencial de primeira ordem. A solução geral é a soma da solução da equação homogênea e da solução particular.
Passo 5
A solução da equação homogênea
é:
Onde
é uma constante que será determinada pelas condições iniciais.
A solução particular para a equação completa é uma constante, já que o lado direito é uma constante:
Passo 6
Assim, a solução geral para a carga no capacitor é:
Aplicando a condição inicial
(capacitor vazio no instante inicial):
Portanto:
Passo 7
A corrente
é a derivada da carga:
Essa é a resposta completa do circuito RC, que inclui tanto a resposta transitória quanto a permanente.
Passo 8
Agora, vamos para o circuito RL. Um circuito RL básico tem um resistor ® e um indutor (L) ligados em série com uma fonte de tensão. Quando a tensão é aplicada, o indutor começa a gerar uma força contra-eletromotriz que impede mudanças rápidas na corrente.
Aplicamos a lei de Kirchhoff das tensões:
Sabemos que
e
.
Passo 9
Substituindo na equação de Kirchhoff:
Vamos supor novamente uma fonte de degrau
para
.
Passo 10
A equação fica:
Reorganizando:
Essa é uma equação diferencial de primeira ordem, semelhante à do circuito RC.
Passo 11
A solução da equação homogênea
é:
A solução particular é uma constante:
Passo 12
A solução geral para a corrente é:
Aplicando a condição inicial
(corrente zero no instante inicial):
Portanto:
Resposta
A resposta completa do circuito RC é:
E a resposta completa do circuito RL é:
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