Um pêndulo elétrico

Capacitores armazenam energia na forma de um campo elétrico e manifestam eletricamente essa energia armazenada como um potencial: voltagem estática . Indutores armazenam energia na forma de um campo magnético e manifestam eletricamente essa energia armazenada como um movimento cinético de elétrons: corrente .

Capacitores e indutores são os lados opostos da mesma moeda reativa, armazenando e liberando energia em modos complementares. Quando esses dois tipos de componentes reativos estão diretamente conectados, suas tendências complementares para armazenar energia produzirão um resultado incomum.

Se o capacitor ou o indutor iniciar em um estado carregado, os dois componentes trocarão energia entre eles, para frente e para trás, criando seus próprios ciclos de tensão CA e corrente.

Se assumirmos que ambos os componentes estão sujeitos a uma aplicação repentina de tensão (digamos, de uma bateria conectada momentaneamente), o capacitor irá carregar muito rapidamente e o indutor irá se opor à mudança na corrente, deixando o capacitor no estado carregado e o indutor em o estado descarregado.



Estado inicial:

Capacitor carregado:tensão no pico (+); indutor descarregado:corrente zero.



O capacitor começará a descarregar, sua tensão diminuirá. Enquanto isso, o indutor começará a acumular uma “carga” na forma de um campo magnético à medida que a corrente aumenta no circuito.

Descarga do capacitor:diminuição da tensão; carregamento do indutor:corrente aumentando.



O indutor, ainda carregando, manterá a corrente fluindo no circuito até que o capacitor tenha sido completamente descarregado, deixando tensão zero através dele.

Capacitor totalmente descarregado:tensão zero; indutor totalmente carregado:corrente máxima.



O indutor manterá o fluxo de corrente mesmo sem tensão aplicada. Na verdade, ele irá gerar uma tensão (como uma bateria) para manter a corrente na mesma direção. O capacitor, sendo o receptor desta corrente, começará a acumular uma carga na polaridade oposta como antes.

Carregamento do capacitor:aumento da tensão (na polaridade oposta); descarga do indutor:corrente diminuindo.



Quando o indutor está finalmente esgotado de sua reserva de energia e os elétrons param, o capacitor terá atingido a carga total (tensão) na polaridade oposta de quando foi iniciado.

Capacitor totalmente carregado:tensão no pico (-); indutor totalmente descarregado:corrente zero.



Agora estamos em uma condição muito semelhante à de onde começamos:o capacitor com carga total e corrente zero no circuito. O capacitor, como antes, começará a descarregar através do indutor, causando um aumento na corrente (na direção oposta como antes) e uma diminuição na tensão à medida que esgota sua própria reserva de energia.

Descarga do capacitor:diminuição da tensão; carregamento do indutor:corrente aumentando.

Eventualmente, o capacitor irá descarregar para zero volts, deixando o indutor totalmente carregado com a corrente total através dele.

Capacitor totalmente descarregado:tensão zero; indutor totalmente carregado:corrente no pico (-).



O indutor, desejando manter a corrente na mesma direção, agirá como uma fonte novamente, gerando uma voltagem como uma bateria para continuar o fluxo. Ao fazer isso, o capacitor começará a carregar e a corrente diminuirá em magnitude.

Carregamento do capacitor:aumento da tensão; descarga do indutor:corrente diminuindo.



Eventualmente, o capacitor ficará totalmente carregado novamente, à medida que o indutor gasta todas as suas reservas de energia tentando manter a corrente. A tensão estará mais uma vez em seu pico positivo e a corrente em zero. Isso completa um ciclo completo de troca de energia entre o capacitor e o indutor.

Capacitor totalmente carregado:tensão no pico (+); indutor totalmente descarregado:corrente zero.



Essa oscilação continuará com uma amplitude cada vez menor devido às perdas de potência de resistências parasitas no circuito, até que o processo pare completamente.

No geral, esse comportamento é semelhante ao de um pêndulo:conforme a massa do pêndulo oscila para frente e para trás, há uma transformação da energia ocorrendo de cinética (movimento) para potencial (altura), de forma semelhante à forma como a energia é transferida no circuito capacitor / indutor para frente e para trás nas formas alternadas de corrente (movimento cinético dos elétrons) e tensão (energia elétrica potencial).

Na altura do pico de cada balanço de um pêndulo, a massa para brevemente e muda de direção. É neste ponto que a energia potencial (altura) está no máximo e a energia cinética (movimento) está em zero.

Conforme a massa oscila para o outro lado, ela passa rapidamente por um ponto onde a corda está apontada diretamente para baixo. Neste ponto, a energia potencial (altura) está em zero e a energia cinética (movimento) está no máximo. Como o circuito, a oscilação para frente e para trás de um pêndulo continuará com uma amplitude constantemente amortecida, o resultado da fricção do ar (resistência) dissipando energia.

Também como o circuito, as medições de posição e velocidade do pêndulo traçam duas ondas senoidais (90 graus fora de fase) ao longo do tempo.

O pêndulo transfere energia entre a energia cinética e a energia potencial conforme oscila de baixo para cima.



Em física, este tipo de oscilação senoidal natural para um sistema mecânico é chamado de Movimento Harmônico Simples (frequentemente abreviado como “SHM”). Os mesmos princípios básicos governam a oscilação de um circuito capacitor / indutor e a ação de um pêndulo, daí a similaridade de efeito.

É uma propriedade interessante de qualquer pêndulo que seu tempo periódico seja governado pelo comprimento da corda que segura a massa, e não pelo peso da própria massa. É por isso que um pêndulo continuará oscando na mesma frequência que as oscilações diminuem em amplitude. A taxa de oscilação é independente da quantidade de energia armazenada nele.

O mesmo é verdadeiro para o circuito do capacitor / indutor. A taxa de oscilação é estritamente dependente dos tamanhos do capacitor e do indutor, não da quantidade de voltagem (ou corrente) em cada pico respectivo nas ondas.

A capacidade de tal circuito de armazenar energia na forma de tensão e corrente oscilantes deu a ele o nome de circuito tanque . Sua propriedade de manter uma frequência única e natural, independentemente de quanta ou pouca energia está realmente sendo armazenada nela, dá-lhe um significado especial no projeto de circuitos elétricos.

No entanto, essa tendência de oscilar ou ressoar , a uma determinada frequência não se limita a circuitos concebidos exclusivamente para esse fim. Na verdade, quase qualquer circuito CA com uma combinação de capacitância e indutância (comumente chamado de “circuito LC”) tenderá a manifestar efeitos incomuns quando a frequência da fonte de alimentação CA se aproxima da frequência natural.

Isso é verdade independentemente da finalidade pretendida do circuito.

Se a frequência da fonte de alimentação para um circuito corresponder exatamente à frequência natural da combinação LC do circuito, diz-se que o circuito está em um estado de ressonância . Os efeitos incomuns atingirão o máximo nesta condição de ressonância.

Por esse motivo, precisamos ser capazes de prever qual será a frequência de ressonância para várias combinações de L e C, e estar cientes de quais são os efeitos da ressonância.



REVER:

• Um capacitor e indutor conectados diretamente formam algo chamado de circuito tanque , que oscila (ou ressoa ) em uma determinada frequência. Nessa frequência, a energia é alternadamente embaralhada entre o capacitor e o indutor na forma de tensão alternada e corrente 90 graus defasada uma com a outra.
• Quando a frequência da fonte de alimentação para um circuito CA corresponde exatamente à frequência de oscilação natural desse circuito, conforme definido pelos componentes L e C, uma condição de ressonância terá sido alcançado.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de fundamentos da radiocomunicação
• Planilha de ressonância