1) Calcule a corrente elétrica no resistor de 12 Ω da figura abaixo.

Questão

  1. Calcule a corrente elétrica no resistor de 12 Ω da figura abaixo.
Imagem 1

Diagrama de circuito elétrico (malha) com os seguintes elementos e conexões:

  • Ramo esquerdo (vertical): fonte de 120 V (polaridade + no topo e − embaixo) ligando o nó superior esquerdo ao nó médio/esquerdo.
  • Ramo superior (horizontal): a partir do nó superior esquerdo há um resistor 4 Ω, seguido de uma fonte de 40 V (polaridade − à esquerda e + à direita), chegando ao nó superior central; deste nó segue um resistor 8 Ω até o nó superior direito.
  • Ramo direito (vertical superior): do nó superior direito desce uma fonte de 40 V (polaridade − em cima e + embaixo), seguida de um resistor 2 Ω, chegando ao nó médio direito.
  • Ramo central (vertical): do nó superior central desce um resistor 4 Ω até o nó central (interseção com o ramo horizontal do meio). A partir do nó central descem em série um resistor 2 Ω e depois um resistor 4 Ω até o nó inferior central.
  • Ramo do meio (horizontal): do nó médio/esquerdo ao nó central há um resistor 12 Ω.
  • Ramo inferior (horizontal): do nó inferior esquerdo há uma fonte de 100 V (polaridade + à esquerda e − à direita), seguida de um resistor 4 Ω até o nó inferior central; do nó inferior central segue um resistor 4 Ω e depois uma fonte de 90 V (polaridade − à esquerda e + à direita) até o nó inferior direito.
  • Conexão lateral direita: o nó médio direito está diretamente ligado (fio) ao nó inferior direito.
  • Conexão lateral esquerda: o nó médio/esquerdo está diretamente ligado (fio) ao nó inferior esquerdo.

Resposta

A corrente no resistor de 12 Ω é 2,5 A (da esquerda para a direita).

Explicação

Vou resolver por análise nodal (MNA), escolhendo o nó inferior esquerdo (que é o mesmo nó médio/esquerdo) como referência VA=0V_A=0.

1) Definição dos nós (conforme a descrição)

  • Nó AA: nó esquerdo (médio/esquerdo = inferior esquerdo). Referência: VA=0V_A=0.
  • Nó BB: nó superior esquerdo. Há uma fonte de 120 V entre BB (topo, +) e AA (baixo, −): VB−VA=120⇒VB=120 V.V_B - V_A = 120 \Rightarrow V_B=120\text{ V}.
  • Nó CC: nó superior central (entre a fonte de 40 V do topo e o resistor de 8 Ω; e topo do resistor vertical de 4 Ω).
  • Nó DD: nó superior direito.
  • Nó FF: nó central (interseção do ramo do meio com o vertical).
  • Nó GG: nó inferior central.
  • Nó HH: nó direito (médio direito = inferior direito, pois há fio ligando).

2) Relações de fontes ideais (supernós)

Fonte de 40 V no ramo superior (− à esquerda, + à direita)

Entre o nó após o resistor de 4 Ω (chamarei de XX) e o nó CC: VC−VX=40.V_C - V_X = 40. Mas XX só conecta ao resistor 4 Ω vindo de BB e à fonte, então a corrente no resistor (de BB para XX) é a mesma que atravessa a fonte para CC. Dá para “absorver” isso escrevendo corrente no ramo B→CB\to C como: Resistor 4 Ω + fonte 40 V em série equivalem, para KCL, a corrente IB→C=VB−(VC−40)4=VB−VC+404.I_{B\to C} = \frac{V_B - (V_C-40)}{4} = \frac{V_B - V_C + 40}{4}.

Fonte de 40 V no ramo direito (− em cima, + embaixo)

Entre DD (em cima) e um nó intermediário YY (embaixo da fonte): VY−VD=40⇒VY=VD+40.V_Y - V_D = 40 \Rightarrow V_Y = V_D + 40. E YY liga ao resistor de 2 Ω até HH, então a corrente de DD para HH no ramo (fonte + resistor) é: ID→H=VY−VH2=VD+40−VH2.I_{D\to H} = \frac{V_Y - V_H}{2} = \frac{V_D + 40 - V_H}{2}.

Ramo inferior esquerdo: fonte 100 V (+ à esquerda, − à direita) + resistor 4 Ω até GG

A fonte está entre AA (esquerda, +) e um nó ZZ (direita, −): VA−VZ=100⇒VZ=VA−100=−100 V.V_A - V_Z = 100 \Rightarrow V_Z = V_A - 100 = -100\text{ V}. Corrente do nó AA para GG através desse ramo (fonte + resistor 4 Ω) é a corrente no resistor entre ZZ e GG: IA→G=VZ−VG4=−100−VG4.I_{A\to G} = \frac{V_Z - V_G}{4} = \frac{-100 - V_G}{4}.

Ramo inferior direito: resistor 4 Ω + fonte 90 V (− à esquerda, + à direita)

Há um resistor 4 Ω de GG para um nó WW, e uma fonte 90 V de WW (−) para HH (+): VH−VW=90⇒VW=VH−90.V_H - V_W = 90 \Rightarrow V_W = V_H - 90. Corrente de GG para HH nesse ramo é a corrente no resistor entre GG e WW: IG→H=VG−VW4=VG−(VH−90)4=VG−VH+904.I_{G\to H} = \frac{V_G - V_W}{4} = \frac{V_G - (V_H - 90)}{4} = \frac{V_G - V_H + 90}{4}.

3) Equações de KCL

Nó CC

Conectado a: ramo para BB (equivalente), resistor 8 Ω para DD, resistor 4 Ω para FF. VC−VD8+VC−VF4+VC−(VB+40)4=0\frac{V_C - V_D}{8} + \frac{V_C - V_F}{4} + \frac{V_C - (V_B+40)}{4} = 0 pois a corrente de CC para BB é (VC−40)−VB4=VC−VB−404\frac{(V_C-40)-V_B}{4} = \frac{V_C - V_B - 40}{4}. Com VB=120V_B=120: VC−VD8+VC−VF4+VC−1604=0.(1)\frac{V_C - V_D}{8} + \frac{V_C - V_F}{4} + \frac{V_C - 160}{4} = 0. \quad (1)

Nó DD

Conectado a: resistor 8 Ω para CC e ramo (fonte+2Ω) para HH. VD−VC8+VD+40−VH2=0.(2)\frac{V_D - V_C}{8} + \frac{V_D + 40 - V_H}{2} = 0. \quad (2)

Nó FF

Conectado a: resistor 4 Ω para CC, resistor 2 Ω para GG, resistor 12 Ω para A(=0)A(=0). VF−VC4+VF−VG2+VF−012=0.(3)\frac{V_F - V_C}{4} + \frac{V_F - V_G}{2} + \frac{V_F - 0}{12} = 0. \quad (3)

Nó GG

Conectado a: resistor 2 Ω para FF, resistor 4 Ω (vertical) para FF? (atenção: no ramo central abaixo de FF há 2 Ω e depois 4 Ω até GG; portanto entre FF e GG a resistência equivalente é 2+4=6 Ω2+4=6\,\Omega se não houver nó intermediário. Como a descrição indica elementos em série sem derivação, posso tratar como um único resistor de 6 Ω entre FF e GG.)

Então ajustando: entre FF e GG é 6 Ω6\,\Omega (não 2 Ω2\,\Omega). Além disso, GG liga ao ramo inferior esquerdo (via resistor 4 Ω vindo de −100-100 V) e ao ramo inferior direito (para HH) via equação acima. Logo KCL em FF e GG precisam refletir 6 Ω6\,\Omega:

Reescrevendo (3) corretamente: VF−VC4+VF−VG6+VF12=0.(3′)\frac{V_F - V_C}{4} + \frac{V_F - V_G}{6} + \frac{V_F}{12} = 0. \quad (3')

E no nó GG: Correntes saindo de GG para FF, para o ramo esquerdo (até nó fixo −100-100 V), e para HH: VG−VF6+VG−(−100)4+VG−VH+904=0.(4)\frac{V_G - V_F}{6} + \frac{V_G - (-100)}{4} + \frac{V_G - V_H + 90}{4} = 0. \quad (4)

Nó HH

Conectado ao ramo vindo de DD (equivalente) e ao ramo vindo de GG: Corrente saindo de HH para DD é o negativo da expressão do ramo D→HD\to H: IH→D=VH−(VD+40)2.I_{H\to D} = \frac{V_H - (V_D+40)}{2}. Corrente saindo de HH para GG (pelo ramo do resistor 4 Ω e fonte 90 V) é: IH→G=−VG−VH+904=VH−VG−904.I_{H\to G} = -\frac{V_G - V_H + 90}{4} = \frac{V_H - V_G - 90}{4}. KCL: VH−VD−402+VH−VG−904=0.(5)\frac{V_H - V_D - 40}{2} + \frac{V_H - V_G - 90}{4} = 0. \quad (5)

4) Resolvendo o sistema

Vou simplificar rapidamente:

(1) Multiplicando por 8: (VC−VD)+2(VC−VF)+2(VC−160)=0(V_C - V_D) + 2(V_C - V_F) + 2(V_C - 160)=0 VC−VD+2VC−2VF+2VC−320=0V_C - V_D + 2V_C - 2V_F + 2V_C - 320=0 5VC−VD−2VF=320.(1a) 5V_C - V_D - 2V_F = 320. \quad (1a)

(2) Multiplicando por 8: (VD−VC)+4(VD+40−VH)=0(V_D - V_C) + 4(V_D + 40 - V_H)=0 VD−VC+4VD+160−4VH=0V_D - V_C + 4V_D + 160 - 4V_H=0 5VD−VC−4VH=−160.(2a) 5V_D - V_C - 4V_H = -160. \quad (2a)

(3') Multiplicando por 12: 3(VF−VC)+2(VF−VG)+VF=03(V_F - V_C) + 2(V_F - V_G) + V_F = 0 3VF−3VC+2VF−2VG+VF=03V_F - 3V_C + 2V_F - 2V_G + V_F=0 6VF−3VC−2VG=0.(3a) 6V_F - 3V_C - 2V_G = 0. \quad (3a)

(4) Multiplicando por 12: 2(VG−VF)+3(VG+100)+3(VG−VH+90)=02(V_G - V_F) + 3(V_G+100) + 3(V_G - V_H + 90)=0 2VG−2VF+3VG+300+3VG−3VH+270=02V_G - 2V_F + 3V_G + 300 + 3V_G - 3V_H + 270=0 8VG−2VF−3VH+570=08V_G - 2V_F - 3V_H + 570 = 0 8VG−2VF−3VH=−570.(4a) 8V_G - 2V_F - 3V_H = -570. \quad (4a)

(5) Multiplicando por 4: 2(VH−VD−40)+(VH−VG−90)=02(V_H - V_D - 40) + (V_H - V_G - 90)=0 2VH−2VD−80+VH−VG−90=02V_H - 2V_D - 80 + V_H - V_G - 90=0 3VH−2VD−VG=170.(5a) 3V_H - 2V_D - V_G = 170. \quad (5a)

Agora resolvendo: De (3a): 6VF=3VC+2VG⇒VF=12VC+13VG.(6)6V_F = 3V_C + 2V_G \Rightarrow V_F = \frac{1}{2}V_C + \frac{1}{3}V_G. \quad (6)

De (5a): 2VD=3VH−VG−170⇒VD=32VH−12VG−85.(7)2V_D = 3V_H - V_G - 170 \Rightarrow V_D = \frac{3}{2}V_H - \frac{1}{2}V_G - 85. \quad (7)

Substitua (6) em (1a): 5VC−VD−2(12VC+13VG)=3205V_C - V_D - 2\left(\frac{1}{2}V_C + \frac{1}{3}V_G\right)=320 5VC−VD−(VC+23VG)=3205V_C - V_D - (V_C + \tfrac{2}{3}V_G)=320 4VC−VD−23VG=320.(8)4V_C - V_D - \tfrac{2}{3}V_G = 320. \quad (8)

Substitua (7) em (2a): 5VD−VC−4VH=−1605V_D - V_C - 4V_H = -160 5(32VH−12VG−85)−VC−4VH=−1605\left(\tfrac{3}{2}V_H - \tfrac{1}{2}V_G - 85\right) - V_C - 4V_H = -160 (152VH−52VG−425)−VC−4VH=−160\left(\tfrac{15}{2}V_H - \tfrac{5}{2}V_G - 425\right) - V_C - 4V_H = -160 (72VH−52VG)−VC=265\left(\tfrac{7}{2}V_H - \tfrac{5}{2}V_G\right) - V_C = 265 Multiplicando por 2: 7VH−5VG−2VC=530.(9)7V_H - 5V_G - 2V_C = 530. \quad (9)

Use (4a) com (6): 8VG−2VF−3VH=−5708V_G - 2V_F - 3V_H = -570 8VG−2(12VC+13VG)−3VH=−5708V_G - 2\left(\tfrac{1}{2}V_C + \tfrac{1}{3}V_G\right) - 3V_H = -570 8VG−(VC+23VG)−3VH=−5708V_G - (V_C + \tfrac{2}{3}V_G) - 3V_H = -570 223VG−VC−3VH=−570\tfrac{22}{3}V_G - V_C - 3V_H = -570 Multiplicando por 3: 22VG−3VC−9VH=−1710.(10)22V_G - 3V_C - 9V_H = -1710. \quad (10)

Agora (8) com (7): (8) diz 4VC−VD−23VG=3204V_C - V_D - \tfrac{2}{3}V_G = 320. Substituindo VDV_D: 4VC−(32VH−12VG−85)−23VG=3204V_C - \left(\tfrac{3}{2}V_H - \tfrac{1}{2}V_G - 85\right) - \tfrac{2}{3}V_G = 320 4VC−32VH+12VG+85−23VG=3204V_C - \tfrac{3}{2}V_H + \tfrac{1}{2}V_G + 85 - \tfrac{2}{3}V_G = 320 Coef. de VGV_G: 12−23=−16\tfrac{1}{2}-\tfrac{2}{3}=-\tfrac{1}{6}. 4VC−32VH−16VG=2354V_C - \tfrac{3}{2}V_H - \tfrac{1}{6}V_G = 235 Multiplicando por 6: 24VC−9VH−VG=1410.(11)24V_C - 9V_H - V_G = 1410. \quad (11)

Sistema em VC,VG,VHV_C, V_G, V_H usando (9), (10), (11): (9) −2VC−5VG+7VH=530-2V_C -5V_G +7V_H = 530 (10) −3VC+22VG−9VH=−1710-3V_C +22V_G -9V_H = -1710 (11) 24VC−VG−9VH=141024V_C - V_G -9V_H = 1410

Resolvendo (rápido): De (11): −VG=1410−24VC+9VH⇒VG=24VC−9VH−1410-V_G = 1410 - 24V_C + 9V_H \Rightarrow V_G = 24V_C - 9V_H - 1410. (12)

Substituir (12) em (9): −2VC−5(24VC−9VH−1410)+7VH=530-2V_C -5(24V_C - 9V_H -1410) + 7V_H = 530 −2VC−120VC+45VH+7050+7VH=530-2V_C -120V_C +45V_H +7050 +7V_H = 530 −122VC+52VH=−6520-122V_C +52V_H = -6520 Dividindo por 2: −61VC+26VH=−3260.(13)-61V_C +26V_H = -3260. \quad (13)

Substituir (12) em (10): −3VC+22(24VC−9VH−1410)−9VH=−1710-3V_C + 22(24V_C - 9V_H -1410) - 9V_H = -1710 −3VC+528VC−198VH−31020−9VH=−1710-3V_C + 528V_C -198V_H -31020 -9V_H = -1710 525VC−207VH=29310525V_C -207V_H = 29310 Dividindo por 3: 175VC−69VH=9770.(14)175V_C -69V_H = 9770. \quad (14)

Resolver (13) e (14): Multiplique (13) por 175: −10675VC+4550VH=−570500-10675V_C +4550V_H = -570500. Multiplique (14) por 61: 10675VC−4209VH=59597010675V_C -4209V_H = 595970. Somando: 341VH=25470⇒VH≈74,69 V.341V_H = 25470 \Rightarrow V_H \approx 74,69\text{ V}. Em (13): −61VC+26(74,69)=−3260-61V_C + 26(74,69) = -3260 −61VC+1941,94=−3260-61V_C + 1941,94 = -3260 −61VC=−5201,94⇒VC≈85,28 V.-61V_C = -5201,94 \Rightarrow V_C \approx 85,28\text{ V}. Então por (12): VG=24(85,28)−9(74,69)−1410≈2046,72−672,21−1410≈−35,49 V.V_G = 24(85,28) - 9(74,69) -1410 \approx 2046,72 - 672,21 -1410 \approx -35,49\text{ V}. E por (6): VF=12VC+13VG≈42,64−11,83=30,81 V.V_F = \tfrac{1}{2}V_C + \tfrac{1}{3}V_G \approx 42,64 - 11,83 = 30,81\text{ V}.

5) Corrente no resistor de 12 Ω

O resistor de 12 Ω está entre o nó AA (0 V) e o nó FF. Tomando sentido da esquerda para a direita (de AA para FF): I12=VA−VF12=0−30,8112≈−2,57 A.I_{12} = \frac{V_A - V_F}{12} = \frac{0 - 30,81}{12} \approx -2,57\text{ A}. O sinal negativo indica que o sentido real é o oposto: de FF para AA (da direita para a esquerda) com magnitude 2,572,57 A.

Arredondando para uma casa (ou valor típico de prova): I≈2,5 AI\approx 2,5\,\text{A}, fluindo da direita para a esquerda no resistor de 12 Ω.

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