Enunciado

Num circuito RLC como o da Fig. 36-2, suponha que R = 5,00   Ω ,   L = 60,0   m H ,   f = 60,0   H z   e ε m = 30,0   V Para que valores da capacitância a laxa média de dissipação de energia no resistor seria

(a) um máximo e

(b) um mínimo?

(c) Quais são os valores destas taxas máxima e mínima? Quais são

(d) os ângulos de fase correspondentes e

(e) os fatores de potência correspondentes?

Passo 1

Fala pessoal, tudo certinho? vamos responder mais uma questão, então prepara o material e vamos responder!!

Primeiro, vamos considerar que

P m é d = I r m s 2 R = ε r m s R 2 + X L - X C 2 2 R

A - Como só podemos variar a capacitância, para maximizar P m é d na equação acima devemos minimizar X L - X C ​, o que obviamente acontecerá quando

X L = X C

Com isso,

ω d L = 1 ω d C

Expandindo os termos

2 π f d L = 1 2 π f d C

Portanto,

C = 1 4 π 2 f d 2 L

Substituindo os valores, nós temos que

C = 1 4 π 2 60   H z 2 ( 60   m H ) ≈ 117   μ F

Passo 2

B – Nós devemos maximizar X L - X C 2 . Com o fato de X C ficar muito grande quando C → 0 , com isso

lim C → 0 + ⁡ 1 ω d C = + ∞

E, portanto, devemos definir C = 0 para minimizar a potência média. Isso é o mesmo que um circuito aberto.

C - De (a) acima, a taxa de dissipação máxima ocorrerá quando X L - X C = 0 e assim Z = R e assim

P m é d = ε r m s Z 2 R = ε r m s 2 R = ε m 2 2 ∙ 1 R = ε m 2 2 R

Substituindo os valores,

P m é d = 30   V 2 2 5 Ω = 90   W

A taxa de dissipação mínima foi obtida em (b) definindo C = 0 , o que por sua vez tornará Z 2 ilimitado e, como

P m é d = ε Z 2 R

Nesta situação, temos que

P m é d = 0

Passo 3

D – Nós temos que

cos ⁡ ϕ = R Z

E como neste caso Z = R , obtemos o seguinte resultado

cos ⁡ ϕ = R R = 1

E o ângulo obviamente

ϕ = 0

Já no outro caso, se Z tende para infinito, portanto,

cos ⁡ ϕ = 0

Logo, o ângulo pode ter os seguintes valores

ϕ = ± π 2

Considere que o fasor V C ​ aumentará infinitamente, o que “puxará” ε m ​ para baixo para uma posição vertical, e assim

ϕ = - π 2

Passo 4

E – Para o primeiro caso (máximo): O fator de potência é o próprio cos ⁡ ϕ , que é igual a 1.

Para o segundo caso (mínimo): O fator de potência é o próprio cos ⁡ ϕ , que é igual a 0.

Resposta

a )   C ≈ 117   μ F

b )   lim C → 0 + ⁡ 1 ω d C = + ∞

c )   D i s s i p a ç ã o   m á x i m a :   P m é d = 90   W

D i s s i p a ç ã o   m i n i m a :   P m é d = 0

d )   M á x i m o : ϕ = 0

M i n i m o : ϕ = - π 2

e )   M á x i m o : F P = 1

M i n i m o : F P = 0

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